EP0975920B1 - Heat engine - Google Patents

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EP0975920B1
EP0975920B1 EP98925473A EP98925473A EP0975920B1 EP 0975920 B1 EP0975920 B1 EP 0975920B1 EP 98925473 A EP98925473 A EP 98925473A EP 98925473 A EP98925473 A EP 98925473A EP 0975920 B1 EP0975920 B1 EP 0975920B1
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EP
European Patent Office
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heat
wall
heat transfer
source
selective layer
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EP98925473A
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German (de)
French (fr)
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EP0975920A1 (en
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Andreas P. Rossteuscher
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Individual
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Priority claimed from DE19729607A external-priority patent/DE19729607A1/en
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • 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
    • F24H9/00—Details
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D18/00—Small-scale combined heat and power [CHP] generation systems specially adapted for domestic heating, space heating or domestic hot-water supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D2101/00—Electric generators of small-scale CHP systems
    • F24D2101/30—Fuel cells
    • 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
    • F24H2240/00—Fluid heaters having electrical generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2245/00—Coatings; Surface treatments
    • F28F2245/06—Coatings; Surface treatments having particular radiating, reflecting or absorbing features, e.g. for improving heat transfer by radiation

Definitions

  • the invention relates to a device for heating a heat transfer medium with a firing means designed to generate a heat source, a heat transfer area and one between the heat source and the wall of the heat transfer medium, in particular a boiler or pipe wall.
  • a known device of the type mentioned is, for example, by a flame tube / flue tube boiler in 3-pass design, which contains a burner as a means of combustion, in which during operation combustion takes place in the boiler.
  • This combustion creates a flame in a flame tube as well as exhaust gas, which is the boiler leaves through the smoke pipes arranged below.
  • the flame and the exhaust gas serve as a heat source: over the walls of the Flame pipe or the flue pipes give off heat in a heat transfer area, which flows through water used as a heat transfer medium becomes. The heat absorbed by the water thus serves its heating.
  • the walls of the flame tube or the smoke tubes are in the known devices with certain properties provided: For example, they have the constructive structure of the Boiler adapted thermal expansion coefficient and elasticity as well sufficient chemical resistance.
  • the known devices have the disadvantage that they are only insufficient Part of those produced by the combustion agent and by the Heat source emitted heat absorbed by the heat transfer medium becomes.
  • the exhaust gas leaving the device still contains too much Share of heat generated, in particular it has in comparison a high temperature to the heated heat transfer medium.
  • the heat transfer from the heat source to the heat transfer medium is therefore not optimal.
  • a catalytic combustion device is from EP 0 807 786 A1 (republished) cited in accordance with Article 54 (3) EPC known for increasing radiation absorption a heat radiation receiving plate, the formation of fine Wells and protrusions are proposed.
  • An object of the invention is in devices of the beginning mentioned type the transfer of heat from the heat source over the wall to a heat transfer medium located in the heat transfer area to improve and increase the efficiency of the device.
  • This object is achieved by a at least one side of the wall, the absorption of the heat source in the wall favoring the heat source and / or the emission of those coming from the wall Selective heat output in the direction of the heat source Layer.
  • the emission of temperature radiation does not only depend on the Inherent temperature of the wall, but also, for example, of its Surface quality.
  • the selective layer on the wall can be such that they emit temperature radiation from the wall in directions other than that of the heat transfer area inhibits.
  • a fall burner according to the invention therefore has a comparative one high efficiency.
  • the flame tube can be made of stainless steel.
  • Stainless steel is special insensitive to lower when achieved according to the invention Exhaust gas end temperature resulting exhaust gas condensate.
  • Another advantageous property of the device according to the invention is a reduced temperature of that emitted by the device Exhaust gas. This can cause the dew point of components of the exhaust gas fall below; due to the heat of condensation released the efficiency of the device can thus be further increased increase.
  • the selective layer is only on one side of the Wall, especially on the side facing the heat source.
  • the selectivity of the selective layer in one or more wavelength ranges from that of the heat source emitted thermal radiation has a maximum; in particular these wavelength ranges can match those wavelength ranges correspond to which an intensity maximum of that from the heat source emitted thermal radiation is present.
  • the spectrum of This is because heat radiation emitted by the heat source is not essential continuous type; within the scope of the invention it was recognized that this spectrum also has one or more intensity maxima can.
  • intensity maxima can be characteristic of the burned fuel or the composition of the Combustion of the resulting exhaust gas.
  • the spectrum shows a soot-free, when burning low-carbon fuels resulting flame such intensity maxima in the ⁇ m range (Infrared radiation).
  • the selective layer can be treated be made of a surface of the wall.
  • This treatment can, for example, by sputtering, Electroplating, notching, brushing, polishing, grinding, application with laser radiation or other methods known to the person skilled in the art surface treatment.
  • the manufacture of the However, selective layer can also be applied by applying an additional Layer on the wall, especially by galvanic Coating, sintering, vapor deposition, application of foils, Application of filters, in particular interference and semiconductor filters, or a combination of these.
  • the selectivity of the selective layer can be increased, for example using interference effects, absorption by lattice vibrations or ionic absorption of thermal radiation become.
  • the wall of the device is one Absorbance of approximately 95% over a spectral range or the entire spectrum of heat radiation from the heat source has and an emissivity of heat radiation in the direction of Has a heat source of approximately 5%. Even with poorer values of absorption and emissivity, however, the invention is still in can be used advantageously.
  • the selective layer is preferably temperature-resistant; in particular it is resistant to the operating temperature of the device.
  • a preferred embodiment of the device is also available if the flame or the fumes of the heat source from combustion of hydrogen-containing and / or carbon-containing fuel, in particular Natural gas, hydrogen, heating oil or coal can be generated.
  • the Flame or the exhaust gases can be burned equally of other inorganic or organic fuels or of Waste fuel, in particular domestic and industrial waste, sewage sludge, Screenings, filter material, fermentation gas or vegetable waste, can be generated his.
  • the wall can be covered by at least part of a flame tube, a smoke pipe, an exhaust pipe, a flame and / or Smoke tube boiler with one or more trains, a radiation boiler, a waste heat boiler, a radiant heating surface, a furnace or a heat exchanger surface.
  • the heat transfer area is preferably for receiving liquid, gaseous and / or solid, in particular flowing Designed for heat transfer media.
  • the invention also includes heat engines such as e.g. Internal combustion engines, Turbines, Stirling engines, fuel cells and the like, where the inside of the combustion chambers, possibly existing Heat exchanger surfaces and / or moving parts, e.g. Piston or Turbine guide vanes at least partially with a selective layer are provided as above in their various embodiments has been described.
  • heat engines such as e.g. Internal combustion engines, Turbines, Stirling engines, fuel cells and the like, where the inside of the combustion chambers, possibly existing Heat exchanger surfaces and / or moving parts, e.g. Piston or Turbine guide vanes at least partially with a selective layer are provided as above in their various embodiments has been described.
  • the selective layer used can, for example the following two different goals are pursued:
  • a suitable selective layer can increase the absorption and / or a reduction in the emission or reflection rate achieve, thereby lowering the combustion temperature is achieved. This advantageously brings about a reduction thermal nitrogen oxide formation.
  • the selective layer generally, i.e. both for devices for heating a heat transfer medium as well as for heat engines Catalytic materials are used, for example here Palladium, iridium, platinum, aluminum oxide or similar materials can be used.
  • Fig. 1a shows a schematic longitudinal sectional view of a flame tube / smoke tube boiler in 3-train construction. Inside a cylindrical Flame tube 1, a flame 2 is shown, which results from a combustion process results in an outside of the flame tube 1 located burner 3 takes place.
  • each smoke pipe 5 From the end of the flame tube 1 opposite the burner 3 branch several smoke pipes 5 of smaller diameter than that of the flame tube 1 in such a way that it is laterally adjacent to the flame tube 1 are arranged and their longitudinal axes parallel and in one each have the same first distance from the longitudinal axis of the flame tube 1.
  • each smoke pipe 5 At the level of the end of the flame tube facing the burner 3 1, each smoke pipe 5 has a 180 ° curvature such that it continues parallel and in the same way in the further course second distance to the longitudinal axis of the flame tube 1, wherein this second distance is greater than the first distance.
  • Each of the flame tubes 5 then opens into an area which is accordingly on the Burner 3 is located on the opposite side of the boiler and in turn opens into a single exhaust gas discharge 6.
  • the flame tube 1 In the sectional view 1a show the flame tube 1, which is in the first distance from the flame tube 1 part of one of the smoke tubes 5 and in the second distance from the flame tube 1 part of the same Flue pipe 5 thus an S-shaped characteristic of
  • Fig.1a In the flame tube 1, the smoke tubes 5 and in the exhaust gas discharge 6 opening area are exhaust gases 4, which from the in Burner 3 resulting combustion processes result in Fig.1a are indicated by dashed arrows.
  • a heat transfer region 7 On the outside of the flame tube 1 and the flue tubes 5 is a heat transfer region 7 formed, which is therefore essentially through the walls of the Flame tube 1, the smoke tubes 5 and the boiler is limited and only with a return 8 and a flow 9 openings to the outside of the boiler has.
  • the heat transfer area 7 is provided with a heat transfer, such as water.
  • Fig. 1a is the heat transfer area 7 or the water is marked by hatching.
  • a selective layer 10 is attached on those parts of the walls of the flame tube 1 and Smoke pipes 5, the inside of the pipes from the heat transfer area 7th separate.
  • This layer is in Fig. 1a clarified as a bold line.
  • the flame 2 When burning a fuel, such as oil, gas or Hydrogen, in the burner 3, the flame 2 is generated, which in particular Form of radiation gives off heat to the flame tube 1.
  • the from the Exhaust gases 4 resulting from combustion processes flow from the flame tube 1 along the direction of the arrow through the flue pipes 5. Enter they also heat in the form of radiation to the walls of the Flame tube 1 or the smoke tubes 5 from.
  • the exhaust gases escape finally the boiler via the exhaust gas discharge 6.
  • the water as a heat transfer medium can return 8 into the heat transfer medium area 7 are introduced, flow through the heat transfer area 7 and by contact with the walls of the flame tube 1 or the smoke pipes 5 are heated. This can be done in advance 9 such heated water can be removed from the boiler again, so that in stationary operation of the boiler, the heat transfer area 7 continuously is flowed through.
  • FIG. 1b shows a schematic longitudinal sectional illustration of a flame tube boiler with a cylindrical flame tube 1 without subsequent arranged smoke pipes (construction as a fall burner).
  • This structure represents a significant constructive simplification compared to the 3-train flame tube / smoke tube boiler according to FIG. 1a.
  • the wall of the flame tube 1 is corrugated in this embodiment.
  • the Flame tube 1 of the fall burner according to the invention is on its side inner wall with a selective in bold in Fig. 1b Provide layer 10.
  • burner 3 Outside the flame tube 1, in the extension of its longitudinal axis, there is a burner 3.
  • the combustion processes taking place in burner 3 generate a flame 2 that extends over a large Area of the interior of the flame tube 1, and exhaust gas 4, which is also located inside the flame tube 1 and in Fig. 1b is indicated by dashed arrows.
  • exhaust gas 4 On the one facing away from the burner 3
  • the flame tube 1 ends in an exhaust gas discharge 6, and it also has a drain 11 there.
  • Flame tube 1 On the outer side of the wall facing away from the flame 2 Flame tube 1 is shown hatched, one with the flame tube in provided substantially concentric heat transfer area 7, the through the wall of the flame tube 1 and the walls of the boiler is completed. To the outside, the heat transfer area 7 is only opened by three returns 8, located on a side wall of the boiler and are located near the end facing away from the burner 3, and through a flow 9, which is opposite to the returns 8 Side wall of the boiler and close to the burner 3 facing In the end.
  • the selective layer 10 of the wall of the flame tube 1 enables also in this embodiment an improved transition of Heat the flame 2 and the exhaust gas 4 via the flame tube 1 in the Heat transfer area 7.
  • the improved efficiency of the device allows this compared to the 3-pass flame tube / smoke tube boiler 1a designed with less heat transfer surface, however structurally simpler construction.
  • a further improvement in the heat transfer from the flame 2 and the exhaust gas 4 in the heat transfer area 7 is in this embodiment by the corrugated design of the wall of the Flame tube 1 reached.
  • the thus enlarged surface of this wall improves in particular the heat transfer from the wall on the heat transfer medium.
  • Such a corrugated design of the Flame tube 1 is, however, not necessary to use the selective Layer 10 on the wall an improved heat transfer according to the invention to reach.
  • Fig. 2 is a schematic representation of an incinerator from a combustion chamber 12 and a 3-pass radiation boiler 13 consists.
  • the combustion chamber 12 has a fuel supply on one side 14 and on the opposite side one below the Fuel feed 14 located waste material removal 15. Between the fuel feed 14 and the residue removal 15 are there is a grate 16 inclined in the direction of the residue removal 15 and a burner arranged below this grate 16 Rust 16 are flames 2 and indicated by dashed arrows Exhaust gas 4 shown.
  • the combustion chamber 12 has part of it Wall of an upwardly inclined radiant heating surface 17. Above the combustion chamber 12 tapers towards the radiant heating surface 17 an opening to which the 3-pass radiation boiler 13 connects.
  • the 3-train radiation boiler 13 contains an exhaust pipe 5, which in one meandering design three successively arranged in parallel Sections includes. One end of the exhaust pipe 5 is at the mouth of the combustion chamber 12 connected, the other end opens into an exhaust gas discharge 6. The exhaust gas 4 is also in the Exhaust pipe 5.
  • the side of the radiant heating surface facing away from the combustion chamber 12 17 and the outside of the exhaust pipe 5 are hatched as one in FIG. 2 drawn heat transfer area 7 designed.
  • the heat transfer area 7 contains a heat transfer medium such as water or Steam.
  • the radiant heating surface 17 is on the combustion chamber 12 facing side with a selective layer 10.
  • the combustion chamber 12 receives fuel, for example in the form of domestic or industrial waste, biomass, Sewage sludge or coal.
  • This fuel is in operation of the incinerator on the grate that acts as a firing medium 16 burned.
  • Non-combustible components of this fuel discharged to the combustion chamber 12 via the residue removal 15.
  • additional firing agent that supports the grate firing can the burner 3 are used for this purpose in a manner not shown another fuel would have to be supplied.
  • FIG. 3 shows the typical intensity curve of the thermal radiation emitted by the flame in the case of soot-free combustion of hydrogen and hydrocarbons, plotted against their wavelength.
  • the continuous distribution typical of temperature radiation is overlaid by several pronounced intensity maxima, which are denoted by ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 and ⁇ 4 and are in the ⁇ m range.
  • the selectivity of the selective layer can be designed so that it Maxima has in wavelength ranges that shown in Fig. 3 Maxima correspond to the heat radiation emission of the heat source.
  • 4a shows the schematic sectional illustration of a flat needle structure, 4b that of a flat pyramid structure.
  • the two surface structures shown represent possible embodiments of a selective layer.
  • the periodicity interval of these structures each denoted by ⁇ i , can correspond to at least one of the intensity maxima shown in FIG. 3 of the heat radiation from the heat source, so that the selective layer to at least one of the intensity maxima has its highest selectivity.
  • the invention relates to a device for heating a heat transfer medium with a firing means designed to generate a heat source, a heat transfer area and one between the heat source and the wall of the heat transfer medium, in particular a boiler or pipe wall.
  • a known device of the type mentioned is, for example, by a flame tube / flue tube boiler in 3-pass design, which contains a burner as a means of combustion, in which during operation combustion takes place in the boiler.
  • This combustion creates a flame in a flame tube as well as exhaust gas, which is the boiler leaves through the smoke pipes arranged below.
  • the flame and the exhaust gas serve as a heat source: over the walls of the Flame pipe or the flue pipes give off heat in a heat transfer area, which flows through water used as a heat transfer medium becomes. The heat absorbed by the water thus serves its heating.
  • the walls of the flame tube or the smoke tubes are in the known devices with certain properties provided: For example, they have the constructive structure of the Boiler adapted thermal expansion coefficient and elasticity as well sufficient chemical resistance.
  • the known devices have the disadvantage that they are only insufficient Part of those produced by the combustion agent and by the Heat source emitted heat absorbed by the heat transfer medium becomes.
  • the exhaust gas leaving the device still contains too much Share of heat generated, in particular it has in comparison a high temperature to the heated heat transfer medium.
  • the heat transfer from the heat source to the heat transfer medium is therefore not optimal.
  • An object of the invention is in devices of the beginning mentioned type the transfer of heat from the heat source over the wall to a heat transfer medium located in the heat transfer area to improve and increase the efficiency of the device.
  • This object is achieved by a at least one side of the wall, the absorption of the heat source in the wall favoring the heat source and / or the emission of those coming from the wall Selective heat output in the direction of the heat source Layer.
  • the selective layer reduces the emission of thermal power from the wall back towards the heat source.
  • heat transfer takes place due to the temperature of the Wall: Heat in the form of thermal radiation is emitted by the Wall, among other things, also undesirably in the direction of Heat source emitted.
  • the emission of temperature radiation does not only depend on the Inherent temperature of the wall, but also, for example, of its Surface quality.
  • the selective layer on the wall can be such that they emit temperature radiation from the wall in directions other than that of the heat transfer area inhibits.
  • the ratio of absorption of heat output in layer can be the wall to increase emission towards the heat source.
  • This Ratio in terms of size of which the highest possible value is desirable is called selectivity.
  • the device according to the invention thus improves the net heat transfer from the heat source to the wall by increasing the selectivity of the wall.
  • a fall burner according to the invention therefore has a comparative one high efficiency.
  • the flame tube can be made of stainless steel.
  • Stainless steel is special insensitive to lower when achieved according to the invention Exhaust gas end temperature resulting exhaust gas condensate.
  • the invention also enables a lower flame temperature, whereby the emission of pollutants (eg NO x ) is reduced and a more complete combustion is achieved.
  • pollutants eg NO x
  • the selective layer can be designed so that an increased selectivity by using the different spectral distribution the heat radiation from the heat source and that of temperature radiation emanating from the wall is reached.
  • the degree of absorption and / or the degree of emissivity can be a Show wavelength dependency.
  • the selectivity of the selective layer in one or more wavelength ranges from that of the heat source emitted thermal radiation has a maximum; in particular these wavelength ranges can match those wavelength ranges correspond to which an intensity maximum of that from the heat source emitted thermal radiation is present.
  • the spectrum of This is because heat radiation emitted by the heat source is not essential continuous type; within the scope of the invention it was recognized that this spectrum also has one or more intensity maxima can.
  • intensity maxima can be characteristic of the burned fuel or the composition of the Combustion of the resulting exhaust gas.
  • the spectrum shows a soot-free, when burning low-carbon fuels resulting flame such intensity maxima in the ⁇ m range (Infrared radiation).
  • the selective layer can be formed by highlighting it and / or depressions, in particular a microstructure form.
  • a microstructure can, for example be designed as a flat needle, trapezoid or pyramid structure, which has a repeating pattern, the periodicity interval in particular in the order of magnitude of a maximum wavelength Intensity of the heat radiation emitted by the heat source can lie.
  • the microstructure can also be two-dimensional or comprise a three-dimensional crystal lattice structure.
  • the selective layer can be treated be made of a surface of the wall.
  • This treatment can, for example, by sputtering, Electroplating, notching, brushing, polishing, grinding, application with laser radiation or other methods known to the person skilled in the art surface treatment.
  • the manufacture of the However, selective layer can also be applied by applying an additional Layer on the wall, especially by galvanic Coating, sintering, vapor deposition, application of foils, Application of filters, in particular interference and semiconductor filters, or a combination of these.
  • the wall of the device is one Absorbance of approximately 95% over a spectral range or the entire spectrum of heat radiation from the heat source has and an emissivity of heat radiation in the direction of Has a heat source of approximately 5%. Even with poorer values of absorption and emissivity, however, the invention is still in can be used advantageously.
  • the wall can be covered by at least part of a flame tube, a smoke pipe, an exhaust pipe, a flame and / or Smoke tube boiler with one or more trains, a radiation boiler, a waste heat boiler, a radiant heating surface, a furnace or a heat exchanger surface.
  • the heat transfer area is preferably for receiving liquid, gaseous and / or solid, in particular flowing Designed for heat transfer media.
  • the invention also includes heat engines such as e.g. Internal combustion engines, Turbines, Stirling engines, fuel cells and the like, where the inside of the combustion chambers, possibly existing Heat exchanger surfaces and / or moving parts, e.g. Piston or Turbine guide vanes at least partially with a selective layer are provided as above in their various embodiments has been described.
  • heat engines such as e.g. Internal combustion engines, Turbines, Stirling engines, fuel cells and the like, where the inside of the combustion chambers, possibly existing Heat exchanger surfaces and / or moving parts, e.g. Piston or Turbine guide vanes at least partially with a selective layer are provided as above in their various embodiments has been described.
  • the selective layer used can, for example the following two different goals are pursued:
  • the selective layer generally, i.e. both for devices for heating a heat transfer medium as well as for heat engines Catalytic materials are used, for example here Palladium, iridium, platinum, aluminum oxide or similar materials can be used.
  • Fig. 1a shows a schematic longitudinal sectional view of a flame tube / smoke tube boiler in 3-train construction. Inside a cylindrical Flame tube 1, a flame 2 is shown, which results from a combustion process results in an outside of the flame tube 1 located burner 3 takes place.
  • each smoke pipe 5 From the end of the flame tube 1 opposite the burner 3 branch several smoke pipes 5 of smaller diameter than that of the flame tube 1 in such a way that it is laterally adjacent to the flame tube 1 are arranged and their longitudinal axes parallel and in one each have the same first distance from the longitudinal axis of the flame tube 1.
  • each smoke pipe 5 At the level of the end of the flame tube facing the burner 3 1, each smoke pipe 5 has a 180 ° curvature such that it continues parallel and in the same way in the further course second distance to the longitudinal axis of the flame tube 1, wherein this second distance is greater than the first distance.
  • Each of the flame tubes 5 then opens into an area which is accordingly on the Burner 3 is located on the opposite side of the boiler and in turn opens into a single exhaust gas discharge 6.
  • the flame tube 1 In the sectional view 1a show the flame tube 1, which is in the first distance from the flame tube 1 part of one of the smoke tubes 5 and in the second distance from the flame tube 1 part of the same Flue pipe 5 thus an S-shaped characteristic of
  • Fig. 1a In the flame tube 1, the smoke tubes 5 and in the exhaust gas discharge 6 opening area are exhaust gases 4, which from the in Burner 3 resulting combustion processes result in Fig. 1a are indicated by dashed arrows.
  • a heat transfer region 7 On the outside of the flame tube 1 and the flue tubes 5 is a heat transfer region 7 formed, which is therefore essentially through the walls of the Flame tube 1, the smoke tubes 5 and the boiler is limited and only with a return 8 and a flow 9 openings to the outside of the boiler has.
  • the heat transfer area 7 is provided with a heat transfer, such as water.
  • Fig. 1a is the heat transfer area 7 or the water is marked by hatching.
  • a selective layer 10 is attached on those parts of the walls of the flame tube 1 and Smoke pipes 5, the inside of the pipes from the heat transfer area 7th separate.
  • This layer is in Fig. 1a clarified as a bold line.
  • the flame 2 When burning a fuel, such as oil, gas or Hydrogen, in the burner 3, the flame 2 is generated, which in particular Form of radiation gives off heat to the flame tube 1.
  • the from the Exhaust gases 4 resulting from combustion processes flow from the flame tube 1 along the direction of the arrow through the flue pipes 5. Enter they also heat in the form of radiation to the walls of the Flame tube 1 or the smoke tubes 5 from.
  • the exhaust gases escape finally the boiler via the exhaust gas discharge 6.
  • FIG. 1b shows a schematic longitudinal sectional illustration of a flame tube boiler with a cylindrical flame tube 1 without subsequent arranged smoke pipes (construction as a fall burner). This structure thus represents a significant constructive simplification compared to the 3-train flame tube / smoke tube boiler according to FIG. 1a.
  • the wall of the flame tube 1 is corrugated in this embodiment.
  • the Flame tube 1 of the fall burner according to the invention is on its side inner wall with a selective in bold in Fig. 1b Provide layer 10.
  • burner 3 Outside the flame tube 1, in the extension of its longitudinal axis, there is a burner 3.
  • the combustion processes taking place in burner 3 generate a flame 2 that extends over a large Area of the interior of the flame tube 1, and exhaust gas 4, which is also located inside the flame tube 1 and in Fig.1b is indicated by dashed arrows.
  • exhaust gas 4 On the one facing away from the burner 3
  • the flame tube 1 ends in an exhaust gas discharge 6, and it also has a drain 11 there.
  • Flame tube 1 On the outer side of the wall facing away from the flame 2 Flame tube 1 is shown hatched, one with the flame tube in provided substantially concentric heat transfer area 7, the through the wall of the flame tube 1 and the walls of the boiler is completed. To the outside, the heat transfer area 7 is only opened by three returns 8, located on a side wall of the boiler and are located near the end facing away from the burner 3, and through a flow 9, which is opposite to the returns 8 Side wall of the boiler and close to the burner 3 facing In the end.
  • a further improvement in the heat transfer from the flame 2 and the exhaust gas 4 in the heat transfer area 7 is in this embodiment by the corrugated design of the wall of the Flame tube 1 reached.
  • the thus enlarged surface of this wall improves in particular the heat transfer from the wall on the heat transfer medium.
  • Such a corrugated design of the Flame tube 1 is, however, not necessary to use the selective Layer 10 on the wall an improved heat transfer according to the invention to reach.
  • Fig. 2 is a schematic representation of an incinerator from a combustion chamber 12 and a 3-pass radiation boiler 13 consists.
  • the combustion chamber 12 has a fuel supply on one side 14 and on the opposite side one below the Fuel feed 14 located waste material removal 15. Between the fuel feed 14 and the residue removal 15 are there is a grate 16 inclined in the direction of the residue removal 15 and a burner arranged below this grate 16 Rust 16 are flames 2 and indicated by dashed arrows Exhaust gas 4 shown.
  • the combustion chamber 12 has part of it Wall of an upwardly inclined radiant heating surface 17. Above the combustion chamber 12 tapers towards the radiant heating surface 17 an opening to which the 3-pass radiation boiler 13 connects.
  • the 3-train radiation boiler 13 contains an exhaust pipe 5, which in one meandering design three successively arranged in parallel Sections includes. One end of the exhaust pipe 5 is at the mouth of the combustion chamber 12 connected, the other end opens into an exhaust gas discharge 6. The exhaust gas 4 is also in the Exhaust pipe 5.
  • the side of the radiant heating surface facing away from the combustion chamber 12 17 and the outside of the exhaust pipe 5 are hatched as one in FIG. 2 drawn heat transfer area 7 designed.
  • the heat transfer area 7 contains a heat transfer medium such as water or Steam.
  • the radiant heating surface 17 is on the combustion chamber 12 facing side with a selective layer 10.
  • the combustion chamber 12 receives fuel, for example in the form of domestic or industrial waste, biomass, Sewage sludge or coal.
  • This fuel is in operation of the incinerator on the grate that acts as a firing medium 16 burned.
  • Non-combustible components of this fuel discharged to the combustion chamber 12 via the residue removal 15.
  • additional firing agent that supports the grate firing can the burner 3 are used for this purpose in a manner not shown another fuel would have to be supplied.
  • the heat transfer area 7 is used to absorb and dissipate this heat continuously with water or water vapor as a heat carrier flows through.
  • a return and at the heat transfer area 7 a lead is provided, which are not shown in Fig. 2.
  • FIG. 3 shows the typical intensity curve of the thermal radiation emitted by the flame in the case of soot-free combustion of hydrogen and hydrocarbons, plotted against their wavelength.
  • the continuous distribution typical of temperature radiation is overlaid by several pronounced intensity maxima, which are denoted by ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 and ⁇ 4 and are in the ⁇ m range.
  • 4a shows the schematic sectional illustration of a flat needle structure, 4b that of a flat pyramid structure.
  • the two surface structures shown represent possible embodiments of a selective layer.
  • the periodicity interval of these structures each denoted by ⁇ i , can correspond to at least one of the intensity maxima shown in FIG. 3 of the heat radiation from the heat source, so that the selective layer to at least one of the intensity maxima has its highest selectivity.

Abstract

The present invention relates to a device for heating a heat transfer medium, comprising a heating unit designed to generate a source of heat, a heat transfer area, a wall, e.g. a vessel wall or a pipe wall, between the source of heat ant the heat transfer area, as well as a selective layer on at least one side of the wall, which layer furthers the absorption by said wall of the calorific power from the source of heat and/or inhibits heat emission from said wall towards the source of heat.

Description

Beschreibung für folgende Vertragsstaaten : DE, FR, GBDescription for the following contracting states: DE, FR, GB

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erhitzung eines Wärmeträgers mit einem zur Erzeugung einer Wärmequelle ausgebildeten Feuerungsmittel, einem Wärmeträgerbereich und einer zwischen der Wärmequelle und dem Wärmeträgerbereich befindlichen Wandung, insbesondere einer Kessel- oder Rohrwandung.The invention relates to a device for heating a heat transfer medium with a firing means designed to generate a heat source, a heat transfer area and one between the heat source and the wall of the heat transfer medium, in particular a boiler or pipe wall.

Als Wärmequelle in einer derartigen Vorrichtung dienen üblicherweise bei einem im Feuerungsmittel stattfindenden Verbrennungsvorgang entstehende Flammen und erhitzte Abgase.Usually serve as a heat source in such a device during a combustion process taking place in the combustion medium resulting flames and heated exhaust gases.

Eine bekannte Vorrichtung der genannten Art ist beispielsweise durch einen Flammrohr-/Rauchrohr-Heizkessel in 3-Zug-Bauweise gegeben, welcher als Feuerungsmittel einen Brenner enthält, in dem bei Betrieb des Kessels eine Verbrennung stattfindet. Bei dieser Verbrennung entsteht eine Flamme in einem Flammrohr sowie Abgas, welches den Kessel durch die nachfolgend angeordneten Rauchrohre verläßt. Die Flamme und das Abgas dienen als Wärmequelle: Über die Wandungen des Flammrohrs bzw. der Rauchrohre geben sie Wärme ab in einen Wärmeträgerbereich, der von als Wärmeträger verwendetem Wasser durchströmt wird. Die von dem Wasser aufgenommene Wärme dient also zu dessen Erhitzung. Die Wandungen des Flammrohrs bzw. der Rauchrohre sind in den bekannten Vorrichtungen mit bestimmten Eigenschaften versehen: Beispielsweise besitzen sie dem konstruktiven Aufbau des Kessels angepaßte Wärmeausdehnungskoeffizienten und Elastizität sowie ausreichende chemische Unempfindlichkeit.A known device of the type mentioned is, for example, by a flame tube / flue tube boiler in 3-pass design, which contains a burner as a means of combustion, in which during operation combustion takes place in the boiler. This combustion creates a flame in a flame tube as well as exhaust gas, which is the boiler leaves through the smoke pipes arranged below. The flame and the exhaust gas serve as a heat source: over the walls of the Flame pipe or the flue pipes give off heat in a heat transfer area, which flows through water used as a heat transfer medium becomes. The heat absorbed by the water thus serves its heating. The walls of the flame tube or the smoke tubes are in the known devices with certain properties provided: For example, they have the constructive structure of the Boiler adapted thermal expansion coefficient and elasticity as well sufficient chemical resistance.

Die bekannten Vorrichtungen weisen den Nachteil auf, daß nur ein unzureichender Teil der vom Feuerungsmittel erzeugten und von der Wärmequelle abgegebenen Wärme vom Wärmeträger aufgenommen wird. Das die Vorrichtung verlassende Abgas enthält noch einen zu hohen Anteil der erzeugten Wärme, insbesondere besitzt es im Vergleich zum erhitzten Wärmeträger eine hohe Temperatur. Der Wärmeübertrag von der Wärmequelle auf den Wärmeträger ist somit nicht optimal.The known devices have the disadvantage that they are only insufficient Part of those produced by the combustion agent and by the Heat source emitted heat absorbed by the heat transfer medium becomes. The exhaust gas leaving the device still contains too much Share of heat generated, in particular it has in comparison a high temperature to the heated heat transfer medium. The heat transfer from the heat source to the heat transfer medium is therefore not optimal.

Aus der EP 0 413 411 A1 ist ein Heißluftofen bekannt, dessen Brennkammer teilweise von einer Wärmestrahlungsabsorberplatte umgeben ist. Um die Absorption von Wärmestrahlung zu erhöhen, sind die Oberfläche der Brennkammer und die Wärmestrahlungsabsorberplatte mit einem insbesondere schwarzen Farbanstrich versehen. Auch ein derartiger Farbanstrich führt jedoch noch nicht zu dem erwünschten optimalen Wärmeübertrag von der Wärmequelle auf den Wärmeträger.From EP 0 413 411 A1 a hot air oven is known, its combustion chamber is partially surrounded by a heat radiation absorber plate. To increase the absorption of heat radiation, the surface the combustion chamber and the heat radiation absorber plate with one especially black paint. Even such a coat of paint does not yet lead to the desired optimal heat transfer from the heat source to the heat transfer medium.

Aus der gemäß Artikel 54(3) EPÜ zitierten EP 0 807 786 A1 (nachveröffentlicht) ist eine katalytische Verbrennungsvorrichtung bekannt, für die zur Erhöhung der Strahlungsabsorption einer Wärmestrahlungsaufnahmeplatte die Ausbildung feiner Vertiefungen und Vorsprünge vorgeschlagen wird.A catalytic combustion device is from EP 0 807 786 A1 (republished) cited in accordance with Article 54 (3) EPC known for increasing radiation absorption a heat radiation receiving plate, the formation of fine Wells and protrusions are proposed.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei Vorrichtungen der eingangs genannten Art den Übertrag der Wärme von der Wärmequelle über die Wandung auf einen im Wärmeträgerbereich befindlichen Wärmeträger zu yerbessern und den Wirkungsgrad der Vorrichtung zu erhöhen.An object of the invention is in devices of the beginning mentioned type the transfer of heat from the heat source over the wall to a heat transfer medium located in the heat transfer area to improve and increase the efficiency of the device.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine an mindestens einer Seite der Wandung befindliche, die Absorption der von der Wärmequelle stammenden Wärmeleistung in der Wandung begünstigende und/oder die Emission der von der Wandung stammenden Wärmeleistung in Richtung der Wärmequelle behindernde selektive Schicht.This object is achieved by a at least one side of the wall, the absorption of the heat source in the wall favoring the heat source and / or the emission of those coming from the wall Selective heat output in the direction of the heat source Layer.

Es wird also der Netto-Wärmeübertrag von der Wärmequelle auf die zwischen der Wärmequelle und dem Wärmeträgerbereich befindliche Wandung erhöht. Diese Erhöhung erfolgt durch eine an oder in der Wandung angebrachte selektive Schicht, die folgende Funktionen besitzt:So it becomes the net heat transfer from the heat source on the between the heat source and the heat transfer area located wall increased. This increase is made by an on or selective layer applied in the wall, the following functions has:

Zum einen erhöht sie die in der Wandung stattfindende Absorption der von der Wärmequelle stammenden Wärmeleistung. Der Großteil dieser Wärmeleistung wird in Form von Wärmestrahlung zur Wandung übertragen. Eine Erhöhung der Absorption dieser Wärmestrahlung in der Wandung kann dabei bereits dadurch erreicht werden, daß die selektive Schicht die Reflexion der Wärmestrahlung an der Wandung verringert.Firstly, it increases the absorption of the in the wall heat output originating from the heat source. Most of this Heat output is transmitted to the wall in the form of heat radiation. An increase in the absorption of this heat radiation in the Wall can already be achieved in that the selective Layer reduces the reflection of heat radiation on the wall.

Zum anderen verringert die selektive Schicht die Emission von Wärmeleistung aus der Wandung zurück in Richtung der Wärmequelle. Ein derartiger Wärmeübertrag erfolgt aufgrund der Eigentemperatur der Wandung: Wärme in Form von Temperaturstrahlung wird von der Wandung unter anderem in unerwünschter Weise auch in Richtung der Wärmequelle abgegeben.On the other hand, the selective layer reduces the emission of thermal power from the wall back towards the heat source. On Such heat transfer takes place due to the temperature of the Wall: Heat in the form of thermal radiation is emitted by the Wall, among other things, also undesirably in the direction of Heat source emitted.

Die Emission von Temperaturstrahlung hängt jedoch nicht nur von der Eigentemperatur der Wandung, sondern beispielsweise auch von ihrer Oberflächenbeschaffenheit ab. Die selektive Schicht an der Wandung kann so beschaffen sein, daß sie die Emission von Temperaturstrahlung von der Wandung in andere Richtungen als die des Wärmeträgerbereichs hemmt.The emission of temperature radiation does not only depend on the Inherent temperature of the wall, but also, for example, of its Surface quality. The selective layer on the wall can be such that they emit temperature radiation from the wall in directions other than that of the heat transfer area inhibits.

Durch eine oder mehrere der genannten Funktionen der selektiven Schicht läßt sich das Verhältnis von Absorption der Wärmeleistung in der Wandung zu Emission in Richtung der Wärmequelle erhöhen. Dieses Verhältnis, bezüglich dessen Größe ein möglichst hoher Wert wünschenswert ist, wird als Selektivität bezeichnet.Through one or more of the functions of the selective The ratio of absorption of heat output in layer can be the wall to increase emission towards the heat source. This Ratio, in terms of size of which the highest possible value is desirable is called selectivity.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung verbessert somit den Netto-Wärmeübertrag von der Wärmequelle auf die Wandung durch Erhöhung der Selektivität der Wandung. Indem die Erfindung es ermöglicht, die in der Wandung absorbierte Wärmeleistung zu erhöhen und die von der Wandung in Richtung der Wärmequelle remittierte Wärmeleistung zu verringern, wird auch ein höherer Wärmeüberträg von der Wandung an den Wärmeträger erreicht, wodurch der Wirkungsgrad der Vorrichtung erheblich verbessert wird.The device according to the invention thus improves the net heat transfer from the heat source to the wall by increasing the selectivity of the wall. By making the invention possible in to increase the heat absorption absorbed by the wall and that of the Heat output remitted in the direction of the heat source decrease, will also a higher heat transfer from the wall reaches the heat transfer medium, increasing the efficiency of the device is significantly improved.

Aufgrund der vorstehend genannten vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind gegenüber herkömmlichen Anordnungen konstruktive Neugestaltungen und Vereinfachungen realisierbar:Because of the above-mentioned advantageous properties of the invention Device are compared to conventional arrangements constructive redesigns and simplifications can be implemented:

Durch die Erhöhung des Wärmeübertrags von der Wärmequelle auf die Wandung bzw. den Wärmeträger ist eine Verringerung der benötigten Wärmeübertragungsfläche möglich.By increasing the heat transfer from the heat source to the Wall or the heat transfer medium is a reduction in the required Heat transfer surface possible.

Insbesondere gegenüber Heizkesseln des herkömmlichen 3-Zug-Aufbaus kann aufgrund des verbesserten Wärmeübertrags und des erhöhten Wirkungsgrads auf einen oder zwei Züge verzichtet werden, so daß erfindungsgemäß letztlich mit einem 1-Zug-Aufbau (Sturzbrenner) der gleiche Wirkungsgrad erreicht werden kann, wie mit einem aus dem Stand der Technik bekannten 3-Zug-Aufbau. Especially compared to conventional 3-train boilers can due to the improved heat transfer and the increased Efficiency to be dispensed with one or two trains, so that according to the invention ultimately with a 1-train structure (lintel burner) the same efficiency can be achieved as with one from the State of the art 3-train structure.

Ein erfindungsgemäßer Sturzbrenner besitzt somit einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad. Bei einem erfindungsgemäßen Sturzbrenner kann das Flammrohr in Edelstahl ausgeführt sein. Edelstahl ist insbesondere unempfindlich gegenüber bei erfindungsgemäß erzielter niedriger Abgas-Endtemperatur entstehendem Abgaskondensat.A fall burner according to the invention therefore has a comparative one high efficiency. In a fall burner according to the invention the flame tube can be made of stainless steel. Stainless steel is special insensitive to lower when achieved according to the invention Exhaust gas end temperature resulting exhaust gas condensate.

Die Ausgestaltung verschiedener Bereiche der Wandung mit Schichten unterschiedlicher Selektivität ermöglicht einen innerhalb der Vorrichtung gleichmäßigen Wärmeübertrag. Dies gestaltet den Wärmeübertrag mitunter effizienter und ermöglicht den Wegfall aufwendiger konstruktiver Maßnahmen, die zur Schadenverhütung in thermisch hochbelasteten Bereichen der Vorrichtung bzw. ihrer Wandungen getroffen werden müßten.The design of different areas of the wall with layers different selectivity enables one within the device even heat transfer. This shapes the heat transfer sometimes more efficient and enables elimination of more complex design Measures to prevent damage in high thermal loads Areas of the device or its walls are taken would.

Die Erfindung ermöglicht außerdem eine geringere Flammentemperatur, wodurch die Emission von Schadstoffen (z.B. NOx) vermindert wird und eine vollständigere Verbrennung erzielt wird.The invention also enables a lower flame temperature, whereby the emission of pollutants (eg NO x ) is reduced and a more complete combustion is achieved.

Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine verringerte Temperatur des von der Vorrichtung abgegebenen Abgases. Dadurch kann der Taupunkt von Bestandteilen des Abgases unterschritten werden; aufgrund der freiwerdenden Kondensationswärme kann somit der Wirkungsgrad der Vorrichtung noch weiter erhöht werden.Another advantageous property of the device according to the invention is a reduced temperature of that emitted by the device Exhaust gas. This can cause the dew point of components of the exhaust gas fall below; due to the heat of condensation released the efficiency of the device can thus be further increased increase.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung befindet sich die selektive Schicht nur auf einer Seite der Wandung, insbesondere auf der der Wärmequelle zugewandten Seite. In a preferred embodiment of the device according to the invention the selective layer is only on one side of the Wall, especially on the side facing the heat source.

Die selektive Schicht kann so ausgebildet sein, daß eine erhöhte Selektivität durch Ausnutzung der unterschiedlichen spektralen Verteilung der von der Wärmequelle ausgehenden Wärmestrahlung und der von der Wandung ausgehenden Temperaturstrahlung erreicht wird. Insbesondere kann der Absorptionsgrad und/oder der Emissionsgrad eine Wellenlängenabhängigkeit aufweisen.The selective layer can be designed so that an increased selectivity by using the different spectral distribution the heat radiation from the heat source and that of temperature radiation emanating from the wall is reached. In particular the degree of absorption and / or the degree of emissivity can be a Show wavelength dependency.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Selektivität der selektiven Schicht in einem oder mehreren Wellenlängenbereichen der von der Wärmequelle emittierten Wärmestrahlung ein Maximum aufweist; insbesondere können diese Wellenlängenbereiche jenen Wellenlängenbereichen entsprechen, an denen ein Intensitätsmaximum der von der Wärmequelle emittierten Wärmestrahlung vorhanden ist. Das Spektrum der von der Wärmequelle emittierten Wärmestrahlung ist nämlich nicht unbedingt kontinuierlicher Art; im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, daß dieses Spektrum auch ein oder mehrere Intensitätsmaxima besitzen kann. Solche Intensitätsmaxima können charakteristisch sein für den verbrannten Brennstoff bzw. die Zusammensetzung des bei der Verbrennung entstehenden Abgases. Insbesondere weist das Spektrum einer rußfreien, bei der Verbrennung von kohlenstoffarmen Brennstoffen entstehenden Flamme derartige Intensitätsmaxima im µm-Bereich (Infrarotstrahlung) auf.It is particularly advantageous if the selectivity of the selective layer in one or more wavelength ranges from that of the heat source emitted thermal radiation has a maximum; in particular these wavelength ranges can match those wavelength ranges correspond to which an intensity maximum of that from the heat source emitted thermal radiation is present. The spectrum of This is because heat radiation emitted by the heat source is not essential continuous type; within the scope of the invention it was recognized that this spectrum also has one or more intensity maxima can. Such intensity maxima can be characteristic of the burned fuel or the composition of the Combustion of the resulting exhaust gas. In particular, the spectrum shows a soot-free, when burning low-carbon fuels resulting flame such intensity maxima in the µm range (Infrared radiation).

Die selektive Schicht kann dadurch ausgebildet sein, daß sie Hervorhebungen und/oder Vertiefungen aufweist, die insbesondere eine Mikrostruktur bilden. Eine derartige Mikrostruktur kann beispielsweise als flächige Nadel-, Trapez- oder Pyramidenstruktur ausgebildet sein, welche ein sich wiederholendes Muster aufweist, dessen Periodizitätsintervall insbesondere in der Größenordnung einer Wellenlänge maximaler Intensität der von der Wärmequelle emittierten Wärmestrahlung liegen kann. Die Mikrostruktur kann auch eine flächige zweidimensionale oder eine dreidimensionale Kristallgitterstruktur umfassen.The selective layer can be formed by highlighting it and / or depressions, in particular a microstructure form. Such a microstructure can, for example be designed as a flat needle, trapezoid or pyramid structure, which has a repeating pattern, the periodicity interval in particular in the order of magnitude of a maximum wavelength Intensity of the heat radiation emitted by the heat source can lie. The microstructure can also be two-dimensional or comprise a three-dimensional crystal lattice structure.

In bevorzugter Ausführungsform kann die selektive Schicht durch Behandlung einer Oberfläche der Wandung hergestellt sein. Diese Behandlung kann beispielsweise durch Kathodenzerstäubung (Sputtern), Galvanisierung, Kerbung, Bürsten, Polieren, Schleifen, Beaufschlagung mit Laserstrahlung oder weiteren dem Fachmann bekannten Methoden der Oberflächenbehandlung durchgeführt werden. Die Herstellung der selektiven Schicht kann jedoch auch durch Aufbringen einer zusätzlichen Schicht auf die Wandung erfolgen, insbesondere durch galvanische Beschichtung, Aufsintern, Aufdampfen, Aufbringen von Folien, Aufbringen von Filtern, insbesondere Interferenz- und Halbleiterfiltern, oder durch eine Kombination hiervon.In a preferred embodiment, the selective layer can be treated be made of a surface of the wall. This treatment can, for example, by sputtering, Electroplating, notching, brushing, polishing, grinding, application with laser radiation or other methods known to the person skilled in the art surface treatment. The manufacture of the However, selective layer can also be applied by applying an additional Layer on the wall, especially by galvanic Coating, sintering, vapor deposition, application of foils, Application of filters, in particular interference and semiconductor filters, or a combination of these.

Die Erhöhung der Selektivität der selektiven Schicht kann beispielsweise unter Ausnutzung von Interferenzeffekten, Absorption durch Gitterschwingungen oder ionischer Absorption von Wärmestrahlung erreicht werden.The selectivity of the selective layer can be increased, for example using interference effects, absorption by lattice vibrations or ionic absorption of thermal radiation become.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Wandung der Vorrichtung einen Absorptionsgrad von ungefähr 95% gegenüber einem spektralen Bereich oder dem gesamten Spektrum der Wärmestrahlung der Wärmequelle aufweist und einen Emissionsgrad von Wärmestrahlung in Richtung der Wärmequelle von ungefähr 5% besitzt. Auch mit schlechteren Werten von Absorptions- und Emissionsgrad ist die Erfindung jedoch noch in vorteilhafter Weise einsetzbar.It is particularly advantageous if the wall of the device is one Absorbance of approximately 95% over a spectral range or the entire spectrum of heat radiation from the heat source has and an emissivity of heat radiation in the direction of Has a heat source of approximately 5%. Even with poorer values of absorption and emissivity, however, the invention is still in can be used advantageously.

Die selektive Schicht ist vorzugsweise temperaturbeständig; insbesondere ist sie gegenüber der Betriebstemperatur der Vorrichtung beständig.The selective layer is preferably temperature-resistant; in particular it is resistant to the operating temperature of the device.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung liegt außerdem vor, wenn die Flamme oder die Abgase der Wärmequelle durch Verbrennung von wasserstoffhaltigem und/oder kohlenstoffhaltigem Brennstoff, insbesondere Erdgas, Wasserstoff, Heizöl oder Kohle, erzeugbar sind. Die Flamme oder die Abgase können gleichermaßen durch Verbrennung von anderen anorganischen oder organischen Brennstoffen oder von Abfallbrennstoff, insbesondere von Haus- und Industriemüll, Klärschlamm, Rechengut, Filtergut, Faulgas oder pflanzlichem Abfall, erzeugbar sein.A preferred embodiment of the device is also available if the flame or the fumes of the heat source from combustion of hydrogen-containing and / or carbon-containing fuel, in particular Natural gas, hydrogen, heating oil or coal can be generated. The Flame or the exhaust gases can be burned equally of other inorganic or organic fuels or of Waste fuel, in particular domestic and industrial waste, sewage sludge, Screenings, filter material, fermentation gas or vegetable waste, can be generated his.

Weiterhin kann die Wandung zumindest durch einen Teil eines Flammrohrs, eines Rauchrohrs, eines Abgasrohrs, eines Flamm- und/oder Rauchrohrkessels mit einem oder mehreren Zügen, eines Strahlungskessels, eines Abhitzekessels, einer Strahlungsheizfläche, eines Feuerungsraums oder einer Wärmetauscherfläche gebildet sein.Furthermore, the wall can be covered by at least part of a flame tube, a smoke pipe, an exhaust pipe, a flame and / or Smoke tube boiler with one or more trains, a radiation boiler, a waste heat boiler, a radiant heating surface, a furnace or a heat exchanger surface.

Schließlich ist der Wärmeträgerbereich vorzugsweise zur Aufnahme von flüssigen, gasförmigen und/oder festen, insbesondere jeweils strömenden Wärmeträgern ausgelegt. Finally, the heat transfer area is preferably for receiving liquid, gaseous and / or solid, in particular flowing Designed for heat transfer media.

Die Erfindung umfaßt ferner Wärmekraftmaschinen, wie z.B. Verbrennungsmotoren, Turbinen, Stirlingmotoren, Brennstoffzellen und dergleichen, bei denen die Innenseiten der Brennräume, eventuell vorhandene Wärmetauscherflächen und/oder bewegliche Teile, wie z.B. Kolben oder Turbinenleitschaufeln zumindest teilweise mit einer selektiven Schicht versehen sind, wie sie vorstehend in ihren verschiedenen Ausführungsformen beschrieben wurde. Mit einer im Rahmen einer Wärmekraftmaschine eingesetzten selektiven Schicht können beispielsweise die beiden folgenden, voneinander unterschiedlichen Ziele verfolgt werden:The invention also includes heat engines such as e.g. Internal combustion engines, Turbines, Stirling engines, fuel cells and the like, where the inside of the combustion chambers, possibly existing Heat exchanger surfaces and / or moving parts, e.g. Piston or Turbine guide vanes at least partially with a selective layer are provided as above in their various embodiments has been described. With one as part of a heat engine The selective layer used can, for example the following two different goals are pursued:

Durch eine geeignete selektive Schicht läßt sich eine Erhöhung der Absorptions- und/oder eine Verminderung der Emissions- bzw. Reflexionsrate erzielen, wodurch eine Absenkung der Verbrennungstemperatur erreicht wird. Dies bewirkt in vorteilhafter Weise eine Reduzierung der thermischen Stickoxydbildung.A suitable selective layer can increase the absorption and / or a reduction in the emission or reflection rate achieve, thereby lowering the combustion temperature is achieved. This advantageously brings about a reduction thermal nitrogen oxide formation.

Weiterhin ist es möglich, durch eine geeignete Ausbildung der selektiven Schicht die Reflexions- bzw. Emissionsrate zu erhöhen und/oder die Absorptionsrate zu reduzieren, um auf diese Weise eine Wirkungsgradverbesserung zu erreichen.Furthermore, it is possible by a suitable training of the selective Layer to increase the reflection or emission rate and / or to reduce the absorption rate in order to improve efficiency to reach.

Durch das Aufbringen der selektiven Schicht kann die Umwandlung der jeweiligen Verbrennungsprodukte in die gewünschten Endprodukte erreicht bzw. begünstigt werden.By applying the selective layer, the conversion of the respective combustion products achieved in the desired end products or be favored.

Für die selektive Schicht können generell, d.h. sowohl für Vorrichtungen zur Erhitzung eines Wärmeträgers als auch für Wärmekraftmaschinen katalytische Materialien verwendet werden, wobei hier beispielsweise Palladium, Iridium, Platin, Aluminiumoxyd oder ähnliche Materialien zum Einsatz kommen können.For the selective layer, generally, i.e. both for devices for heating a heat transfer medium as well as for heat engines Catalytic materials are used, for example here Palladium, iridium, platinum, aluminum oxide or similar materials can be used.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart, wobei auch andere Kombinationen der einzelnen Ausführungsformen möglich sind, als in den Unteransprüchen angegeben.Further embodiments of the invention are in the subclaims disclosed, with other combinations of the individual embodiments are possible than specified in the subclaims.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigen:

Fig. 1a
das Prinzipschaubild eines erfindungsgemäßen Heizkessels in 3-Zug-Bauweise,
Fig. 1b
das Prinzipschaubild eines erfindungsgemäßen Heizkessels in 1-Zug-Bauweise,
Fig. 2
das Prinzipschaubild eines erfindungsgemäßen Verbrennungsofens mit Strahlungsheizfläche und 3-Zug-Strahlungskessel,
Fig. 3
den Prinzipverlauf des bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen und Wasserstoff emittierten elektromagnetischen Spektrums, und
Fig. 4a, 4b
zwei verschiedene Möglichkeiten der Realisierung einer erfindungsgemäßen selektiven Schicht.
The invention is described below using exemplary embodiments with reference to the drawings; in these show:
Fig. 1a
the basic diagram of a boiler according to the invention in 3-pass construction,
Fig. 1b
the basic diagram of a boiler according to the invention in 1-train construction,
Fig. 2
the schematic diagram of an incinerator according to the invention with radiant heating surface and 3-pass radiation boiler,
Fig. 3
the course of the principle of the electromagnetic spectrum emitted during the combustion of hydrocarbons and hydrogen, and
4a, 4b
two different ways of realizing a selective layer according to the invention.

Fig. 1a zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung eines Flammrohr-/Rauchrohrkessels in 3-Zug-Bauweise. Innerhalb eines zylinderförmigen Flammrohrs 1 ist eine Flamme 2 gezeigt, die aus einem Verbrennungsvorgang resultiert, der in einem außerhalb des Flammrohrs 1 befindlichen Brenner 3 stattfindet.Fig. 1a shows a schematic longitudinal sectional view of a flame tube / smoke tube boiler in 3-train construction. Inside a cylindrical Flame tube 1, a flame 2 is shown, which results from a combustion process results in an outside of the flame tube 1 located burner 3 takes place.

Von dem dem Brenner 3 entgegengesetzten Ende des Flammrohrs 1 zweigen mehrere Rauchrohre 5 von geringerem Durchmesser als dem des Flammrohrs 1 dergestalt ab, daß sie dem Flammrohr 1 seitlich benachbart angeordnet sind und ihre Längsachsen parallel und in einem jeweils gleichen ersten Abstand zur Längsachse des Flammrohrs 1 verlaufen. In der Höhe des dem Brenner 3 zugewandten Endes des Flammrohrs 1 besitzt jedes Rauchrohr 5 eine 180°-Krümmung dergestalt, daß es im weiteren Verlauf wieder parallel und in einem jeweils gleichen zweiten Abstand zur Längsachse des Flammrohrs 1 verläuft, wobei dieser zweite Abstand größer ist als der erste Abstand. Jedes der Flammrohre 5 mündet dann in einen Bereich, der sich demnach auf der dem Brenner 3 entgegengesetzten Seite des Kessels befindet und der wiederum in einer einzigen Abgasabführung 6 mündet. In der Schnittdarstellung der Fig. 1a zeigen das Flammrohr 1, der in dem ersten Abstand vom Flammrohr 1 befindliche Teil eines der Rauchrohre 5 und der in dem zweiten Abstand vom Flammrohr 1 befindliche Teil desselben Rauchrohrs 5 somit einen für einen 3-Zug-Kessel charakteristischen S-förmigen Aufbau.From the end of the flame tube 1 opposite the burner 3 branch several smoke pipes 5 of smaller diameter than that of the flame tube 1 in such a way that it is laterally adjacent to the flame tube 1 are arranged and their longitudinal axes parallel and in one each have the same first distance from the longitudinal axis of the flame tube 1. At the level of the end of the flame tube facing the burner 3 1, each smoke pipe 5 has a 180 ° curvature such that it continues parallel and in the same way in the further course second distance to the longitudinal axis of the flame tube 1, wherein this second distance is greater than the first distance. Each of the flame tubes 5 then opens into an area which is accordingly on the Burner 3 is located on the opposite side of the boiler and in turn opens into a single exhaust gas discharge 6. In the sectional view 1a show the flame tube 1, which is in the first distance from the flame tube 1 part of one of the smoke tubes 5 and in the second distance from the flame tube 1 part of the same Flue pipe 5 thus an S-shaped characteristic of a 3-pass boiler Construction.

In dem Flammrohr 1, den Rauchrohren 5 und dem in die Abgasabführung 6 mündenden Bereich befinden sich Abgase 4, die aus den im Brenner 3 ablaufenden Verbrennungsvorgängen resultieren und in Fig.1a durch gestrichelte Pfeile angedeutet sind. Auf den Außenseiten des Flammrohrs 1 und der Rauchrohre 5 ist ein Wärmeträgerbereich 7 ausgebildet, der demnach im wesentlichen durch die Wandungen des Flammrohrs 1, der Rauchrohre 5 und des Kessels begrenzt ist und lediglich mit einem Rücklauf 8 und einem Vorlauf 9 Öffnungen zum Kesseläußeren besitzt. Der Wärmeträgerbereich 7 ist mit einem Wärmeträger, wie beispielsweise Wasser, aufgefüllt. In Fig. 1a ist der Wärmeträgerbereich 7 bzw. das Wasser durch die Schraffur gekennzeichnet.In the flame tube 1, the smoke tubes 5 and in the exhaust gas discharge 6 opening area are exhaust gases 4, which from the in Burner 3 resulting combustion processes result in Fig.1a are indicated by dashed arrows. On the outside of the flame tube 1 and the flue tubes 5 is a heat transfer region 7 formed, which is therefore essentially through the walls of the Flame tube 1, the smoke tubes 5 and the boiler is limited and only with a return 8 and a flow 9 openings to the outside of the boiler has. The heat transfer area 7 is provided with a heat transfer, such as water. In Fig. 1a is the heat transfer area 7 or the water is marked by hatching.

An denjenigen Teilen der Wandungen des Flammrohrs 1 und der Rauchrohre 5, die das Innere der Rohre vom Wärmeträgerbereich 7 trennen, ist eine selektive Schicht 10 angebracht. Diese Schicht ist in Fig. 1a als fett eingezeichnete Linie verdeutlicht.On those parts of the walls of the flame tube 1 and Smoke pipes 5, the inside of the pipes from the heat transfer area 7th separate, a selective layer 10 is attached. This layer is in Fig. 1a clarified as a bold line.

Bei der Verbrennung eines Brennstoffs, wie beispielsweise Öl, Gas oder Wasserstoff, im Brenner 3 entsteht die Flamme 2, die insbesondere in Form von Strahlung Wärme an das Flammrohr 1 abgibt. Die aus den Verbrennungsvorgängen resultierenden Abgase 4 strömen vom Flammrohr 1 entlang der Pfeilrichtung durch die Rauchrohre 5. Dabei geben sie ebenfalls Wärme in Form von Strahlung an die Wandungen des Flammrohrs 1 bzw. der Rauchrohre 5 ab. Die Abgase entweichen schließlich dem Kessel über die Abgasabführung 6.When burning a fuel, such as oil, gas or Hydrogen, in the burner 3, the flame 2 is generated, which in particular Form of radiation gives off heat to the flame tube 1. The from the Exhaust gases 4 resulting from combustion processes flow from the flame tube 1 along the direction of the arrow through the flue pipes 5. Enter they also heat in the form of radiation to the walls of the Flame tube 1 or the smoke tubes 5 from. The exhaust gases escape finally the boiler via the exhaust gas discharge 6.

Das Wasser als Wärmeträger kann über den Rücklauf 8 in den Wärmeträgerbereich 7 eingeführt werden, den Wärmeträgerbereich 7 durchströmen und durch Kontakt mit den Wandungen des Flammrohrs 1 bzw. der Rauchrohre 5 erhitzt werden. Über den Vorlauf 9 kann das derart erhitzte Wasser dem Kessel wieder abgeführt werden, so daß im stationären Betrieb des Kessels der Wärmeträgerbereich 7 kontinuierlich durchströmt wird.The water as a heat transfer medium can return 8 into the heat transfer medium area 7 are introduced, flow through the heat transfer area 7 and by contact with the walls of the flame tube 1 or the smoke pipes 5 are heated. This can be done in advance 9 such heated water can be removed from the boiler again, so that in stationary operation of the boiler, the heat transfer area 7 continuously is flowed through.

Durch die selektiven Schichten 10 an den Wandungen des Flammrohrs 1 bzw. der Rauchrohre 5 wird die Aufnahme von Wärmeleistung von der Flamme 2 bzw. dem Abgas 4 in den Wandungen erhöht, die unerwünschte Wärmeabgabe von den Wandungen in Richtung der Flamme 2 bzw. des Abgases 4 verringert und somit der Netto-Wärmeübertrag von der Flamme 2 und den Abgasen 4 auf das Wasser im Wärmeträgerbereich 7 erhöht.Through the selective layers 10 on the walls of the flame tube 1 or the smoke pipes 5 is the absorption of heat from the Flame 2 or the exhaust gas 4 in the walls increases the undesirable Heat emission from the walls towards the flame 2 or the exhaust gas 4 is reduced and thus the net heat transfer from the flame 2 and the exhaust gases 4 to the water in the heat transfer area 7 increased.

Fig. 1b zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung eines Flammrohrkessels mit einem zylinderförmigen Flammrohr 1 ohne nachfolgend angeordnete Rauchrohre (Aufbau als Sturzbrenner). Dieser Aufbau stellt-somit eine erhebliche konstruktive Vereinfachung gegenüber dem 3-Zug-Flammrohr-/ Rauchrohrkessel gemäß Fig. 1a dar. Die Wandung des Flammrohrs 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel gewellt. Das Flammrohr 1 des erfindungsgemäßen Sturzbrenners ist an seiner seitlichen inneren Wandung mit einer in Fig. 1b fett eingezeichneten selektiven Schicht 10 versehen.1b shows a schematic longitudinal sectional illustration of a flame tube boiler with a cylindrical flame tube 1 without subsequent arranged smoke pipes (construction as a fall burner). This structure represents a significant constructive simplification compared to the 3-train flame tube / smoke tube boiler according to FIG. 1a. The wall of the flame tube 1 is corrugated in this embodiment. The Flame tube 1 of the fall burner according to the invention is on its side inner wall with a selective in bold in Fig. 1b Provide layer 10.

Außerhalb des Flammrohres 1, in der Verlängerung seiner Längsachse, befindet sich ein Brenner 3. Die in dem Brenner 3 ablaufenden Verbrennungsvorgänge erzeugen eine Flamme 2, die sich über einen großen Bereich des Inneren des Flammrohrs 1 erstreckt, sowie Abgas 4, das sich ebenfalls im Inneren des Flammrohres 1 befindet und in Fig. 1b durch gestrichelte Pfeile angegeben ist. An dem dem Brenner 3 abgewandten Ende mündet das Flammrohr 1 in eine Abgasabführung 6, und es besitzt dort ferner einen Abfluß 11.Outside the flame tube 1, in the extension of its longitudinal axis, there is a burner 3. The combustion processes taking place in burner 3 generate a flame 2 that extends over a large Area of the interior of the flame tube 1, and exhaust gas 4, which is also located inside the flame tube 1 and in Fig. 1b is indicated by dashed arrows. On the one facing away from the burner 3 The flame tube 1 ends in an exhaust gas discharge 6, and it also has a drain 11 there.

Auf der äußeren, der Flamme 2 abgewandten Seite der Wandung des Flammrohrs 1 ist, schraffiert eingezeichnet, ein mit dem Flammrohr im wesentlichen konzentrischer Wärmeträgerbereich 7 vorgesehen, der durch die Wandung des Flammrohrs 1 und die Wandungen des Kessels abgeschlossen ist. Nach außen ist der Wärmeträgerbereich 7 lediglich durch drei Rückläufe 8 geöffnet, die sich an einer Seitenwand des Kessels und nahe des dem Brenner 3 abgewandten Endes befinden, und durch einen Vorlauf 9, der sich an einer den Rückläufen 8 gegenüberliegenden Seitenwand des Kessels und nahe des dem Brenner 3 zugewandten Endes befindet.On the outer side of the wall facing away from the flame 2 Flame tube 1 is shown hatched, one with the flame tube in provided substantially concentric heat transfer area 7, the through the wall of the flame tube 1 and the walls of the boiler is completed. To the outside, the heat transfer area 7 is only opened by three returns 8, located on a side wall of the boiler and are located near the end facing away from the burner 3, and through a flow 9, which is opposite to the returns 8 Side wall of the boiler and close to the burner 3 facing In the end.

Im stationären Betrieb des Kessels erzeugt ein Verbrennungsvorgang im Brenner 3 die Flamme 2 und das Abgas 4, das kontinuierlich durch das Flammrohr 1 strömt und den Kessel über die Abgasabführung 6 verläßt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel dienen die Flamme 2 und deren Abgas 4 der Erhitzung eines den Wärmeträgerbereich 7 durchströmenden Wärmeträgers, wie beispielsweise Wasser. Das Wasser kann dem Bereich 7 bei unterschiedlicher Temperatur zugeführt werden, wobei bei höherer Temperatur des Wassers ein Rücklauf 8 nahe des Brenners 3 und bei niedrigerer Temperatur des Wassers ein Rücklauf 8 weiter entfernt vom Brenner 3 vorgesehen ist. Dadurch werden ein effizienter Wärmeübertrag auf das Wasser und eine hohe Temperatur des Wassers bei Verlassen des Wärmeträgerbereichs 7 durch den Vorlauf 9 erreicht. During the stationary operation of the boiler, a combustion process in the Burner 3, the flame 2 and the exhaust gas 4, which is continuously through the Flame tube 1 flows and leaves the boiler via the exhaust gas discharge 6. The flame 2 and its serve also in this embodiment Exhaust gas 4 from the heating of a flowing through the heat transfer area 7 Heat transfer medium, such as water. The water can the area 7 are fed at different temperatures, wherein at a higher water temperature, a return 8 near the burner 3 and at lower water temperatures a return 8 is provided further away from the burner 3. This will make it more efficient Heat transfer to the water and a high temperature of the Water when leaving the heat transfer area 7 through the flow 9 reached.

Die selektive Schicht 10 der Wandung des Flammrohrs 1 ermöglicht auch in diesem Ausführungsbeispiel einen verbesserten Übergang der Wärme der Flamme 2 und des Abgases 4 über das Flammrohr 1 in den Wärmeträgerbereich 7. Der somit verbesserte Wirkungsgrad der Vorrichtung erlaubt diese gegenüber dem 3-Zug-Flammrohr-/Rauchrohrkessel gemäß Fig. 1a mit weniger Wärmeübertragungsfläche ausgestaltete, jedoch konstruktiv einfachere Bauweise.The selective layer 10 of the wall of the flame tube 1 enables also in this embodiment an improved transition of Heat the flame 2 and the exhaust gas 4 via the flame tube 1 in the Heat transfer area 7. The improved efficiency of the device allows this compared to the 3-pass flame tube / smoke tube boiler 1a designed with less heat transfer surface, however structurally simpler construction.

Eine weitere Verbesserung des Wärmeübertrags von der Flamme 2 und dem Abgas 4 in den Wärmeträgerbereich 7 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch die gewellte Ausgestaltung der Wandung des Flammrohrs 1 erreicht. Die somit vergrößerte Oberfläche dieser Wandung verbessert insbesondere den Wärmeübergang von der Wandung auf den Wärmeträger. Eine derartige gewellte Ausgestaltung des Flammrohrs 1 ist jedoch nicht notwendig, um mit Hilfe der selektiven Schicht 10 an der Wandung einen erfindungsgemäß verbesserten Wärmeübertrag zu erreichen.A further improvement in the heat transfer from the flame 2 and the exhaust gas 4 in the heat transfer area 7 is in this embodiment by the corrugated design of the wall of the Flame tube 1 reached. The thus enlarged surface of this wall improves in particular the heat transfer from the wall on the heat transfer medium. Such a corrugated design of the Flame tube 1 is, however, not necessary to use the selective Layer 10 on the wall an improved heat transfer according to the invention to reach.

Da der erfindungsgemäß verbesserte Wirkungsgrad des Sturzbrenners gemäß Fig. 1b auch eine niedrigere Temperatur der Flamme 2 und des den dargestellten Kessel verlassenden Abgases 4 bewirkt, entsteht im Flammrohr 1 Abgaskondensat. Das Abgaskondensat kann über den Abfluß 11 abgeführt werden. Das Flammrohr 1 kann aus gegenüber dem Abgaskondensat chemisch unempfindlichem Edelstahl gefertigt sein.Since the efficiency of the fall burner improved according to the invention 1b also a lower temperature of the flame 2 and causes the exhaust gas 4 leaving the boiler, arises in Flame tube 1 exhaust gas condensate. The exhaust gas condensate can Drain 11 are discharged. The flame tube 1 can be compared the exhaust gas condensate made of chemically insensitive stainless steel his.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Verbrennungsofens, der aus einem Feuerungsraum 12 und einem 3-Zug-Strahlungskessel 13 besteht. Der Feuerungsraum 12 besitzt auf einer Seite eine Brennstoffzuführung 14 und auf der gegenüberliegenden Seite eine unterhalb der Brennstoffzuführung 14 befindliche Reststoffabführung 15. Zwischen der Brennstoffzuführung 14 und der Reststoffabführung 15 befinden sich ein in Richtung der Reststoffabführung 15 geneigter Rost 16 sowie ein unterhalb dieses Rosts 16 angeordneter Brenner 3. Oberhalb des Rosts 16 sind Flammen 2 und durch gestrichelte Pfeile gekennzeichnetes Abgas 4 eingezeichnet.Fig. 2 is a schematic representation of an incinerator from a combustion chamber 12 and a 3-pass radiation boiler 13 consists. The combustion chamber 12 has a fuel supply on one side 14 and on the opposite side one below the Fuel feed 14 located waste material removal 15. Between the fuel feed 14 and the residue removal 15 are there is a grate 16 inclined in the direction of the residue removal 15 and a burner arranged below this grate 16 Rust 16 are flames 2 and indicated by dashed arrows Exhaust gas 4 shown.

Oberhalb des Rosts 16 besitzt der Feuerungsraum 12 als Teil seiner Wandung eine nach oben geneigte Strahlungsheizfläche 17. Oberhalb der Strahlungsheizfläche 17 verjüngt sich der Feuerungsraum 12 zu einer Ausmündung, an die sich der 3-Zug-Strahlungskessel 13 anschließt.Above the grate 16, the combustion chamber 12 has part of it Wall of an upwardly inclined radiant heating surface 17. Above the combustion chamber 12 tapers towards the radiant heating surface 17 an opening to which the 3-pass radiation boiler 13 connects.

Der 3-Zug-Strahlungskessel 13 enthält ein Abgasrohr 5, das in einer mäandrierenden Ausgestaltung drei nacheinander parallel angeordnete Abschnitte umfaßt. Das eine Ende des Abgasrohres 5 ist an die Ausmündung des Feuerungsraumes 12 angeschlossen, das andere Ende mündet in einer Abgasabführung 6. Das Abgas 4 befindet sich auch im Abgasrohr 5.The 3-train radiation boiler 13 contains an exhaust pipe 5, which in one meandering design three successively arranged in parallel Sections includes. One end of the exhaust pipe 5 is at the mouth of the combustion chamber 12 connected, the other end opens into an exhaust gas discharge 6. The exhaust gas 4 is also in the Exhaust pipe 5.

Die dem Feuerungsraum 12 abgewandte Seite der Strahlungsheizfläche 17 und die Außenseite des Abgasrohres 5 sind als ein in Fig. 2 schraffiert eingezeichneter Wärmeträgerbereich 7 ausgestaltet. Der Wärmeträgerbereich 7 enthält einen Wärmeträger, wie beispielsweise Wasser oder Wasserdampf. Die Strahlungsheizfläche 17 ist an ihrer dem Feuerungsraum 12 zugewandten Seite mit einer selektiven Schicht 10 versehen. The side of the radiant heating surface facing away from the combustion chamber 12 17 and the outside of the exhaust pipe 5 are hatched as one in FIG. 2 drawn heat transfer area 7 designed. The heat transfer area 7 contains a heat transfer medium such as water or Steam. The radiant heating surface 17 is on the combustion chamber 12 facing side with a selective layer 10.

An den Verbindungsflächen zwischen dem Abgasrohr 5 und dem Wärmeträgerbereich 7 ist auch die Wandung des Abgasrohrs 5 an ihrer Innenseite mit einer selektiven Schicht 10 versehen. Die selektive Schicht ist in Fig. 2 jeweils fett eingezeichnet.At the connection surfaces between the exhaust pipe 5 and the heat transfer area 7 is also the wall of the exhaust pipe 5 on its inside provided with a selective layer 10. The selective layer is shown in bold in FIG. 2.

Über die Brennstoffzuführung 14 wird dem Feuerungsraum 12 Brennstoff, beispielsweise in Form von Haus- oder Industriemüll, Biomasse, Klärschlamm oder Kohle, zugeführt. Dieser Brennstoff wird im Betrieb des Verbrennungsofens auf dem als Feuerungsmittel fungierenden Rost 16 verbrannt. Nichtbrennbare Bestandteile dieses Brennstoffs werden dem Feuerungsraum 12 über die Reststoffabführung 15 abgeführt. Als zusätzliches, die Rostfeuerung unterstützendes Feuerungsmittel kann der Brenner 3 dienen, der hierfür auf nicht eingezeichnete Weise mit einem weiteren Brennstoff versorgt werden müßte.The combustion chamber 12 receives fuel, for example in the form of domestic or industrial waste, biomass, Sewage sludge or coal. This fuel is in operation of the incinerator on the grate that acts as a firing medium 16 burned. Non-combustible components of this fuel discharged to the combustion chamber 12 via the residue removal 15. As additional firing agent that supports the grate firing can the burner 3 are used for this purpose in a manner not shown another fuel would have to be supplied.

Von der bei diesen Verbrennungsvorgängen entstehenden Flamme 2 und von dem in Pfeilrichtung durch den Feuerungsraum 12 und das Abgasrohr 5 des 3-Zug-Strahlungskessels 13 strömenden Abgas 4 wird über die Strahlungsheizfläche 17 und über Teile der Wandung des Abgasrohrs 5 Wärme in den Wärmeträgerbereich 7 abgegeben. Der Wärmeträgerbereich 7 wird zur Aufnahme und Abführung dieser Wärme kontinuierlich mit dem Wasser oder Wasserdampf als Wärmeträger durchströmt. Hierfür sind am Wärmeträgerbereich 7 ein Rücklauf und ein Vorlauf vorgesehen, die nicht in Fig. 2 eingezeichnet sind.From the flame 2 that arises during these combustion processes and of which in the direction of the arrow through the combustion chamber 12 and that Exhaust pipe 5 of the 3-train radiation boiler 13 is flowing exhaust gas 4 over the radiant heating surface 17 and over parts of the wall of the exhaust pipe 5 heat given off in the heat transfer area 7. The heat transfer area 7 is used to absorb and dissipate this heat continuously with water or water vapor as a heat carrier flows through. For this purpose, a return and at the heat transfer area 7 a lead is provided, which are not shown in Fig. 2.

Zur Erhöhung der von der Flamme 2 und dem Abgas 4 über die Strahlungsheizfläche 17 bzw. die Wandung des Abgasrohrs 5 auf das Wasser oder den Wasserdampf übertragenen Wärmeleistung sind die Strahlungsheizfläche 17 und die vorerwähnten Teile der Wandung des Abgasrohrs 5 mit der selektiven Schicht 10 versehen.To increase the flame 2 and the exhaust gas 4 via the radiant heating surface 17 or the wall of the exhaust pipe 5 on the water or the heat output transmitted by water vapor is the radiant heating surface 17 and the aforementioned parts of the wall of the exhaust pipe 5 provided with the selective layer 10.

Fig. 3 zeigt den typischen Intensitätsverlauf der bei rußfreier Verbrennung von Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen von der Flamme emittierten Wärmestrahlung, aufgetragen gegen ihre Wellenlänge. Der für Temperaturstrahlung typischen kontinuierlichen Verteilung sind mehrere ausgeprägte Intensitätsmaxima überlagert, die mit λ1, λ2, λ3 und λ4 bezeichnet sind und im µm-Bereich liegen.FIG. 3 shows the typical intensity curve of the thermal radiation emitted by the flame in the case of soot-free combustion of hydrogen and hydrocarbons, plotted against their wavelength. The continuous distribution typical of temperature radiation is overlaid by several pronounced intensity maxima, which are denoted by λ 1 , λ 2 , λ 3 and λ 4 and are in the μm range.

Die Selektivität der selektiven Schicht kann so ausgestaltet sein, daß sie Maxima besitzt in Wellenlängenbereichen, die den in Fig. 3 dargestellten Maxima der Wärmestrahlungsemission der Wärmequelle entsprechen.The selectivity of the selective layer can be designed so that it Maxima has in wavelength ranges that shown in Fig. 3 Maxima correspond to the heat radiation emission of the heat source.

Fig. 4a zeigt die schematische Schnittdarstellung einer flächigen Nadelstruktur, Fig. 4b die einer flächigen Pyramidenstruktur.4a shows the schematic sectional illustration of a flat needle structure, 4b that of a flat pyramid structure.

Die beiden dargestellten Flächenstrukturen stellen mögliche Ausführungsformen einer selektiven Schicht dar. Insbesondere kann das Periodizitätsintervall dieser Strukturen, jeweils mit λi bezeichnet, mindestens einem der in Fig. 3 aufgezeigten Intensitätsmaxima der Wärmestrahlung der Wärmequelle entsprechen, so daß die selektive Schicht an mindestens einem der Intensitätsmaxima ihre höchste Selektivität besitzt. The two surface structures shown represent possible embodiments of a selective layer. In particular, the periodicity interval of these structures, each denoted by λ i , can correspond to at least one of the intensity maxima shown in FIG. 3 of the heat radiation from the heat source, so that the selective layer to at least one of the intensity maxima has its highest selectivity.

Beschreibung für folgende Vertragsstaaten : AT, CH, DK, LI, NL, SEDescription for the following contracting states: AT, CH, DK, LI, NL, SE

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erhitzung eines Wärmeträgers mit einem zur Erzeugung einer Wärmequelle ausgebildeten Feuerungsmittel, einem Wärmeträgerbereich und einer zwischen der Wärmequelle und dem Wärmeträgerbereich befindlichen Wandung, insbesondere einer Kessel- oder Rohrwandung.The invention relates to a device for heating a heat transfer medium with a firing means designed to generate a heat source, a heat transfer area and one between the heat source and the wall of the heat transfer medium, in particular a boiler or pipe wall.

Als Wärmequelle in einer derartigen Vorrichtung dienen üblicherweise bei einem im Feuerungsmittel stattfindenden Verbrennungsvorgang entstehende Flammen und erhitzte Abgase.Usually serve as a heat source in such a device during a combustion process taking place in the combustion medium resulting flames and heated exhaust gases.

Eine bekannte Vorrichtung der genannten Art ist beispielsweise durch einen Flammrohr-/Rauchrohr-Heizkessel in 3-Zug-Bauweise gegeben, welcher als Feuerungsmittel einen Brenner enthält, in dem bei Betrieb des Kessels eine Verbrennung stattfindet. Bei dieser Verbrennung entsteht eine Flamme in einem Flammrohr sowie Abgas, welches den Kessel durch die nachfolgend angeordneten Rauchrohre verläßt. Die Flamme und das Abgas dienen als Wärmequelle: Über die Wandungen des Flammrohrs bzw. der Rauchrohre geben sie Wärme ab in einen Wärmeträgerbereich, der von als Wärmeträger verwendetem Wasser durchströmt wird. Die von dem Wasser aufgenommene Wärme dient also zu dessen Erhitzung. Die Wandungen des Flammrohrs bzw. der Rauchrohre sind in den bekannten Vorrichtungen mit bestimmten Eigenschaften versehen: Beispielsweise besitzen sie dem konstruktiven Aufbau des Kessels angepaßte Wärmeausdehnungskoeffizienten und Elastizität sowie ausreichende chemische Unempfindlichkeit.A known device of the type mentioned is, for example, by a flame tube / flue tube boiler in 3-pass design, which contains a burner as a means of combustion, in which during operation combustion takes place in the boiler. This combustion creates a flame in a flame tube as well as exhaust gas, which is the boiler leaves through the smoke pipes arranged below. The flame and the exhaust gas serve as a heat source: over the walls of the Flame pipe or the flue pipes give off heat in a heat transfer area, which flows through water used as a heat transfer medium becomes. The heat absorbed by the water thus serves its heating. The walls of the flame tube or the smoke tubes are in the known devices with certain properties provided: For example, they have the constructive structure of the Boiler adapted thermal expansion coefficient and elasticity as well sufficient chemical resistance.

Die bekannten Vorrichtungen weisen den Nachteil auf, daß nur ein unzureichender Teil der vom Feuerungsmittel erzeugten und von der Wärmequelle abgegebenen Wärme vom Wärmeträger aufgenommen wird. Das die Vorrichtung verlassende Abgas enthält noch einen zu hohen Anteil der erzeugten Wärme, insbesondere besitzt es im Vergleich zum erhitzten Wärmeträger eine hohe Temperatur. Der Wärmeübertrag von der Wärmequelle auf den Wärmeträger ist somit nicht optimal.The known devices have the disadvantage that they are only insufficient Part of those produced by the combustion agent and by the Heat source emitted heat absorbed by the heat transfer medium becomes. The exhaust gas leaving the device still contains too much Share of heat generated, in particular it has in comparison a high temperature to the heated heat transfer medium. The heat transfer from the heat source to the heat transfer medium is therefore not optimal.

Aus der EP 0 413 411 A1 ist ein Heißluftofen bekannt, dessen Brennkammer teilweise von einer Wärmestrahlungsabsorberplatte umgeben ist. Um die Absorption von Wärmestrahlung zu erhöhen, sind die Oberfläche der Brennkammer und die Wärmestrahlungsabsorberplatte mit einem insbesondere schwarzen Farbanstrich versehen. Auch ein derartiger Farbanstrich führt jedoch noch nicht zu dem erwünschten optimalen Wärmeübertrag von der Wärmequelle auf den Wärmeträger.From EP 0 413 411 A1 a hot air oven is known, its combustion chamber is partially surrounded by a heat radiation absorber plate. To increase the absorption of heat radiation, the surface the combustion chamber and the heat radiation absorber plate with one especially black paint. Even such a coat of paint does not yet lead to the desired optimal heat transfer from the heat source to the heat transfer medium.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei Vorrichtungen der eingangs genannten Art den Übertrag der Wärme von der Wärmequelle über die Wandung auf einen im Wärmeträgerbereich befindlichen Wärmeträger zu verbessern und den Wirkungsgrad der Vorrichtung zu erhöhen.An object of the invention is in devices of the beginning mentioned type the transfer of heat from the heat source over the wall to a heat transfer medium located in the heat transfer area to improve and increase the efficiency of the device.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine an mindestens einer Seite der Wandung befindliche, die Absorption der von der Wärmequelle stammenden Wärmeleistung in der Wandung begünstigende und/oder die Emission der von der Wandung stammenden Wärmeleistung in Richtung der Wärmequelle behindernde selektive Schicht.This object is achieved by a at least one side of the wall, the absorption of the heat source in the wall favoring the heat source and / or the emission of those coming from the wall Selective heat output in the direction of the heat source Layer.

Es wird also der Netto-Wärmeübertrag von der Wärmequelle auf die zwischen der Wärmequelle und dem Wärmeträgerbereich befindliche Wandung erhöht. Diese Erhöhung erfolgt durch eine an oder in der Wandung angebrachte selektive Schicht, die folgende Funktionen besitzt:So it becomes the net heat transfer from the heat source on the between the heat source and the heat transfer area located wall increased. This increase is made by an on or selective layer applied in the wall, the following functions has:

Zum einen erhöht sie die in der Wandung stattfindende Absorption der von der Wärmequelle stammenden Wärmeleistung. Der Großteil dieser Wärmeleistung wird in Form von Wärmestrahlung zur Wandung übertragen. Eine Erhöhung der Absorption dieser Wärmestrahlung in der Wandung kann dabei bereits dadurch erreicht werden, daß die selektive Schicht die Reflexion der Wärmestrahlung an der Wandung verringert.Firstly, it increases the absorption of the in the wall heat output originating from the heat source. Most of this Heat output is transmitted to the wall in the form of heat radiation. An increase in the absorption of this heat radiation in the Wall can already be achieved in that the selective Layer reduces the reflection of heat radiation on the wall.

Zum anderen verringert die selektive Schicht die Emission von Wärmeleistung aus der Wandung zurück in Richtung der Wärmequelle. Ein derartiger Wärmeübertrag erfolgt aufgrund der Eigentemperatur der Wandung: Wärme in Form von Temperaturstrahlung wird von der Wandung unter anderem in unerwünschter Weise auch in Richtung der Wärmequelle abgegeben.On the other hand, the selective layer reduces the emission of thermal power from the wall back towards the heat source. On Such heat transfer takes place due to the temperature of the Wall: Heat in the form of thermal radiation is emitted by the Wall, among other things, also undesirably in the direction of Heat source emitted.

Die Emission von Temperaturstrahlung hängt jedoch nicht nur von der Eigentemperatur der Wandung, sondern beispielsweise auch von ihrer Oberflächenbeschaffenheit ab. Die selektive Schicht an der Wandung kann so beschaffen sein, daß sie die Emission von Temperaturstrahlung von der Wandung in andere Richtungen als die des Wärmeträgerbereichs hemmt.The emission of temperature radiation does not only depend on the Inherent temperature of the wall, but also, for example, of its Surface quality. The selective layer on the wall can be such that they emit temperature radiation from the wall in directions other than that of the heat transfer area inhibits.

Durch eine oder mehrere der genannten Funktionen der selektiven Schicht läßt sich das Verhältnis von Absorption der Wärmeleistung in der Wandung zu Emission in Richtung der Wärmequelle erhöhen. Dieses Verhältnis, bezüglich dessen Größe ein möglichst hoher Wert wünschenswert ist, wird als Selektivität bezeichnet.Through one or more of the functions of the selective The ratio of absorption of heat output in layer can be the wall to increase emission towards the heat source. This Ratio, in terms of size of which the highest possible value is desirable is called selectivity.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung verbessert somit den Netto-Wärmeübertrag von der Wärmequelle auf die Wandung durch Erhöhung der Selektivität der Wandung. Indem die Erfindung es ermöglicht, die in der Wandung absorbierte Wärmeleistung zu erhöhen und die von der Wandung in Richtung der Wärmequelle remittierte Wärmeleistung zu verringern, wird auch ein höherer Wärmeübertrag von der Wandung an den Wärmeträger erreicht, wodurch der Wirkungsgrad der Vorrichtung erheblich verbessert wird.The device according to the invention thus improves the net heat transfer from the heat source to the wall by increasing the selectivity of the wall. By making the invention possible in to increase the heat absorption absorbed by the wall and that of the Heat output remitted in the direction of the heat source decrease, there will also be a higher heat transfer from the wall reaches the heat transfer medium, increasing the efficiency of the device is significantly improved.

Aufgrund der vorstehend genannten vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind gegenüber herkömmlichen Anordnungen konstruktive Neugestaltungen und Vereinfachungen realisierbar:Because of the above-mentioned advantageous properties of the invention Device are compared to conventional arrangements constructive redesigns and simplifications can be implemented:

Durch die Erhöhung des Wärmeübertrags von der Wärmequelle auf die Wandung bzw. den Wärmeträger ist eine Verringerung der benötigten Wärmeübertragungsfläche möglich.By increasing the heat transfer from the heat source to the Wall or the heat transfer medium is a reduction in the required Heat transfer surface possible.

Insbesondere gegenüber Heizkesseln des herkömmlichen 3-Zug-Aufbaus kann aufgrund des verbesserten Wärmeübertrags und des erhöhten Wirkungsgrads auf einen oder zwei Züge verzichtet werden, so daß erfindungsgemäß letztlich mit einem 1-Zug-Aufbau (Sturzbrenner) der gleiche Wirkungsgrad erreicht werden kann, wie mit einem aus dem Stand der Technik bekannten 3-Zug-Aufbau. Especially compared to conventional 3-train boilers can due to the improved heat transfer and the increased Efficiency to be dispensed with one or two trains, so that according to the invention ultimately with a 1-train structure (lintel burner) the same efficiency can be achieved as with one from the State of the art 3-train structure.

Ein erfindungsgemäßer Sturzbrenner besitzt somit einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad. Bei einem erfindungsgemäßen Sturzbrenner kann das Flammrohr in Edelstahl ausgeführt sein. Edelstahl ist insbesondere unempfindlich gegenüber bei erfindungsgemäß erzielter niedriger Abgas-Endtemperatur entstehendem Abgaskondensat.A fall burner according to the invention therefore has a comparative one high efficiency. In a fall burner according to the invention the flame tube can be made of stainless steel. Stainless steel is special insensitive to lower when achieved according to the invention Exhaust gas end temperature resulting exhaust gas condensate.

Die Ausgestaltung verschiedener Bereiche der Wandung mit Schichten unterschiedlicher Selektivität ermöglicht einen innerhalb der Vorrichtung gleichmäßigen Wärmeübertrag. Dies gestaltet den Wärmeübertrag mitunter effizienter und ermöglicht den Wegfall aufwendiger konstruktiver Maßnahmen, die zur Schadenverhütung in thermisch hochbelasteten Bereichen der Vorrichtung bzw. ihrer Wandungen getroffen werden müßten.The design of different areas of the wall with layers different selectivity enables one within the device even heat transfer. This shapes the heat transfer sometimes more efficient and enables elimination of more complex design Measures to prevent damage in high thermal loads Areas of the device or its walls are taken would.

Die Erfindung ermöglicht außerdem eine geringere Flammentemperatur, wodurch die Emission von Schadstoffen (z.B. NOx) vermindert wird und eine vollständigere Verbrennung erzielt wird.The invention also enables a lower flame temperature, whereby the emission of pollutants (eg NO x ) is reduced and a more complete combustion is achieved.

Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine verringerte Temperatur des von der Vorrichtung abgegebenen Abgases. Dadurch kann der Taupunkt von Bestandteilen des Abgases unterschritten werden; aufgrund der freiwerdenden Kondensationswärme kann somit der Wirkungsgrad der Vorrichtung noch weiter erhöht werden.Another advantageous property of the device according to the invention is a reduced temperature of that emitted by the device Exhaust gas. This can cause the dew point of components of the exhaust gas fall below; due to the heat of condensation released the efficiency of the device can thus be further increased increase.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung befindet sich die selektive Schicht nur auf einer Seite der Wandung, insbesondere auf der der Wärmequelle zugewandten Seite. In a preferred embodiment of the device according to the invention the selective layer is only on one side of the Wall, especially on the side facing the heat source.

Die selektive Schicht kann so ausgebildet sein, daß eine erhöhte Selektivität durch Ausnutzung der unterschiedlichen spektralen Verteilung der von der Wärmequelle ausgehenden Wärmestrahlung und der von der Wandung ausgehenden Temperaturstrahlung erreicht wird. Insbesondere kann der Absorptionsgrad und/oder der Emissionsgrad eine Wellenlängenabhängigkeit aufweisen.The selective layer can be designed so that an increased selectivity by using the different spectral distribution the heat radiation from the heat source and that of temperature radiation emanating from the wall is reached. In particular the degree of absorption and / or the degree of emissivity can be a Show wavelength dependency.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Selektivität der selektiven Schicht in einem oder mehreren Wellenlängenbereichen der von der Wärmequelle emittierten Wärmestrahlung ein Maximum aufweist; insbesondere können diese Wellenlängenbereiche jenen Wellenlängenbereichen entsprechen, an denen ein Intensitätsmaximum der von der Wärmequelle emittierten Wärmestrahlung vorhanden ist. Das Spektrum der von der Wärmequelle emittierten Wärmestrahlung ist nämlich nicht unbedingt kontinuierlicher Art; im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, daß dieses Spektrum auch ein oder mehrere Intensitätsmaxima besitzen kann. Solche Intensitätsmaxima können charakteristisch sein für den verbrannten Brennstoff bzw. die Zusammensetzung des bei der Verbrennung entstehenden Abgases. Insbesondere weist das Spektrum einer rußfreien, bei der Verbrennung von kohlenstoffarmen Brennstoffen entstehenden Flamme derartige Intensitätsmaxima im µm-Bereich (Infrarotstrahlung) auf.It is particularly advantageous if the selectivity of the selective layer in one or more wavelength ranges from that of the heat source emitted thermal radiation has a maximum; in particular these wavelength ranges can match those wavelength ranges correspond to which an intensity maximum of that from the heat source emitted thermal radiation is present. The spectrum of This is because heat radiation emitted by the heat source is not essential continuous type; within the scope of the invention it was recognized that this spectrum also has one or more intensity maxima can. Such intensity maxima can be characteristic of the burned fuel or the composition of the Combustion of the resulting exhaust gas. In particular, the spectrum shows a soot-free, when burning low-carbon fuels resulting flame such intensity maxima in the µm range (Infrared radiation).

Die selektive Schicht kann dadurch ausgebildet sein, daß sie Hervorhebungen und/oder Vertiefungen aufweist, die insbesondere eine Mikrostruktur bilden. Eine derartige Mikrostruktur kann beispielsweise als flächige Nadel-, Trapez- oder Pyramidenstruktur ausgebildet sein, welche ein sich wiederholendes Muster aufweist, dessen Periodizitätsintervall insbesondere in der Größenordnung einer Wellenlänge maximaler Intensität der von der Wärmequelle emittierten Wärmestrahlung liegen kann. Die Mikrostruktur kann auch eine flächige zweidimensionale oder eine dreidimensionale Kristallgitterstruktur umfassen.The selective layer can be formed by highlighting it and / or depressions, in particular a microstructure form. Such a microstructure can, for example be designed as a flat needle, trapezoid or pyramid structure, which has a repeating pattern, the periodicity interval in particular in the order of magnitude of a maximum wavelength Intensity of the heat radiation emitted by the heat source can lie. The microstructure can also be two-dimensional or comprise a three-dimensional crystal lattice structure.

In bevorzugter Ausführungsform kann die selektive Schicht durch Behandlung einer Oberfläche der Wandung hergestellt sein. Diese Behandlung kann beispielsweise durch Kathodenzerstäubung (Sputtern), Galvanisierung, Kerbung, Bürsten, Polieren, Schleifen, Beaufschlagung mit Laserstrahlung oder weiteren dem Fachmann bekannten Methoden der Oberflächenbehandlung durchgeführt werden. Die Herstellung der selektiven Schicht kann jedoch auch durch Aufbringen einer zusätzlichen Schicht auf die Wandung erfolgen, insbesondere durch galvanische Beschichtung, Aufsintern, Aufdampfen, Aufbringen von Folien, Aufbringen von Filtern, insbesondere Interferenz- und Halbleiterfiltern, oder durch eine Kombination hiervon.In a preferred embodiment, the selective layer can be treated be made of a surface of the wall. This treatment can, for example, by sputtering, Electroplating, notching, brushing, polishing, grinding, application with laser radiation or other methods known to the person skilled in the art surface treatment. The manufacture of the However, selective layer can also be applied by applying an additional Layer on the wall, especially by galvanic Coating, sintering, vapor deposition, application of foils, Application of filters, in particular interference and semiconductor filters, or a combination of these.

Die Erhöhung der Selektivität der selektiven Schicht kann beispielsweise unter Ausnutzung von Interferenzeffekten, Absorption durch Gitterschwingungen oder ionischer Absorption von Wärmestrahlung erreicht werden.The selectivity of the selective layer can be increased, for example using interference effects, absorption by lattice vibrations or ionic absorption of thermal radiation become.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Wandung der Vorrichtung einen Absorptionsgrad von ungefähr 95% gegenüber einem spektralen Bereich oder dem gesamten Spektrum der Wärmestrahlung der Wärmequelle aufweist und einen Emissionsgrad von Wärmestrahlung in Richtung der Wärmequelle von ungefähr 5% besitzt. Auch mit schlechteren Werten von Absorptions- und Emissionsgrad ist die Erfindung jedoch noch in vorteilhafter Weise einsetzbar.It is particularly advantageous if the wall of the device is one Absorbance of approximately 95% over a spectral range or the entire spectrum of heat radiation from the heat source has and an emissivity of heat radiation in the direction of Has a heat source of approximately 5%. Even with poorer values of absorption and emissivity, however, the invention is still in can be used advantageously.

Die selektive Schicht ist vorzugsweise temperaturbeständig; insbesondere ist sie gegenüber der Betriebstemperatur der Vorrichtung beständig.The selective layer is preferably temperature-resistant; in particular it is resistant to the operating temperature of the device.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung liegt außerdem vor, wenn die Flamme oder die Abgase der Wärmequelle durch Verbrennung von wasserstoffhaltigem und/oder kohlenstoffhaltigem Brennstoff, insbesondere Erdgas, Wasserstoff, Heizöl oder Kohle, erzeugbar sind. Die Flamme oder die Abgase können gleichermaßen durch Verbrennung von anderen anorganischen oder organischen Brennstoffen oder von Abfallbrennstoff, insbesondere von Haus- und Industriemüll, Klärschlamm, Rechengut, Filtergut, Faulgas oder pflanzlichem Abfall, erzeugbar sein.A preferred embodiment of the device is also available if the flame or the fumes of the heat source from combustion of hydrogen-containing and / or carbon-containing fuel, in particular Natural gas, hydrogen, heating oil or coal can be generated. The Flame or the exhaust gases can be burned equally of other inorganic or organic fuels or of Waste fuel, in particular domestic and industrial waste, sewage sludge, Screenings, filter material, fermentation gas or vegetable waste, can be generated his.

Weiterhin kann die Wandung zumindest durch einen Teil eines Flammrohrs, eines Rauchrohrs, eines Abgasrohrs, eines Flamm- und/oder Rauchrohrkessels mit einem oder mehreren Zügen, eines Strahlungskessels, eines Abhitzekessels, einer Strahlungsheizfläche, eines Feuerungsraums oder einer Wärmetauscherfläche gebildet sein.Furthermore, the wall can be covered by at least part of a flame tube, a smoke pipe, an exhaust pipe, a flame and / or Smoke tube boiler with one or more trains, a radiation boiler, a waste heat boiler, a radiant heating surface, a furnace or a heat exchanger surface.

Schließlich ist der Wärmeträgerbereich vorzugsweise zur Aufnahme von flüssigen, gasförmigen und/oder festen, insbesondere jeweils strömenden Wärmeträgern ausgelegt. Finally, the heat transfer area is preferably for receiving liquid, gaseous and / or solid, in particular flowing Designed for heat transfer media.

Die Erfindung umfaßt ferner Wärmekraftmaschinen, wie z.B. Verbrennungsmotoren, Turbinen, Stirlingmotoren, Brennstoffzellen und dergleichen, bei denen die Innenseiten der Brennräume, eventuell vorhandene Wärmetauscherflächen und/oder bewegliche Teile, wie z.B. Kolben oder Turbinenleitschaufeln zumindest teilweise mit einer selektiven Schicht versehen sind, wie sie vorstehend in ihren verschiedenen Ausführungsformen beschrieben wurde. Mit einer im Rahmen einer Wärmekraftmaschine eingesetzten selektiven Schicht können beispielsweise die beiden folgenden, voneinander unterschiedlichen Ziele verfolgt werden:The invention also includes heat engines such as e.g. Internal combustion engines, Turbines, Stirling engines, fuel cells and the like, where the inside of the combustion chambers, possibly existing Heat exchanger surfaces and / or moving parts, e.g. Piston or Turbine guide vanes at least partially with a selective layer are provided as above in their various embodiments has been described. With one as part of a heat engine The selective layer used can, for example the following two different goals are pursued:

Durch eine geeignete selektive Schicht läßt sich eine Erhöhung der Absorptions- und/oder eine Verminderung der Emissions- bzw. Reflexionsrate erzielen, wodurch eine Absenkung der Verbrennungstemperatur erreicht wird. Dies bewirkt in vorteilhafter Weise eine Reduzierung der thermischen Stickoxydbildung.A suitable selective layer can increase the absorption and / or a reduction in the emission or reflection rate achieve, thereby lowering the combustion temperature is achieved. This advantageously brings about a reduction thermal nitrogen oxide formation.

Weiterhin ist es möglich, durch eine geeignete Ausbildung der selektiven Schicht die Reflexions- bzw. Emissionsrate zu erhöhen und/oder die Absorptionsrate zu reduzieren, um auf diese Weise eine Wirkungsgradverbesserung zu erreichen.Furthermore, it is possible by a suitable training of the selective Layer to increase the reflection or emission rate and / or to reduce the absorption rate in order to improve efficiency to reach.

Durch das Aufbringen der selektiven Schicht kann die Umwandlung der jeweiligen Verbrennungsprodukte in die gewünschten Endprodukte erreicht bzw. begünstigt werden.By applying the selective layer, the conversion of the respective combustion products achieved in the desired end products or be favored.

Für die selektive Schicht können generell, d.h. sowohl für Vorrichtungen zur Erhitzung eines Wärmeträgers als auch für Wärmekraftmaschinen katalytische Materialien verwendet werden, wobei hier beispielsweise Palladium, Iridium, Platin, Aluminiumoxyd oder ähnliche Materialien zum Einsatz kommen können.For the selective layer, generally, i.e. both for devices for heating a heat transfer medium as well as for heat engines Catalytic materials are used, for example here Palladium, iridium, platinum, aluminum oxide or similar materials can be used.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart, wobei auch andere Kombinationen der einzelnen Ausführungsformen möglich sind, als in den Unteransprüchen angegeben.Further embodiments of the invention are in the subclaims disclosed, with other combinations of the individual embodiments are possible than specified in the subclaims.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigen:

Fig. 1a
das Prinzipschaubild eines erfindungsgemäßen Heizkessels in 3-Zug-Bauweise,
Fig. 1b
das Prinzipschaubild eines erfindungsgemäßen Heizkessels in 1-Zug-Bauweise,
Fig. 2
das Prinzipschaubild eines erfindungsgemäßen Verbrennungsofens mit Strahlungsheizfläche und 3-Zug-Strahlungskessel,
Fig. 3
den Prinzipverlauf des bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen und Wasserstoff emittierten elektromagnetischen Spektrums, und
Fig. 4a, 4b
zwei verschiedene Möglichkeiten der Realisierung einer erfindungsgemäßen selektiven Schicht.
The invention is described below using exemplary embodiments with reference to the drawings; in these show:
Fig. 1a
the basic diagram of a boiler according to the invention in 3-pass construction,
Fig. 1b
the basic diagram of a boiler according to the invention in 1-train construction,
Fig. 2
the schematic diagram of an incinerator according to the invention with radiant heating surface and 3-pass radiation boiler,
Fig. 3
the course of the principle of the electromagnetic spectrum emitted during the combustion of hydrocarbons and hydrogen, and
4a, 4b
two different ways of realizing a selective layer according to the invention.

Fig. 1a zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung eines Flammrohr-/Rauchrohrkessels in 3-Zug-Bauweise. Innerhalb eines zylinderförmigen Flammrohrs 1 ist eine Flamme 2 gezeigt, die aus einem Verbrennungsvorgang resultiert, der in einem außerhalb des Flammrohrs 1 befindlichen Brenner 3 stattfindet.Fig. 1a shows a schematic longitudinal sectional view of a flame tube / smoke tube boiler in 3-train construction. Inside a cylindrical Flame tube 1, a flame 2 is shown, which results from a combustion process results in an outside of the flame tube 1 located burner 3 takes place.

Von dem dem Brenner 3 entgegengesetzten Ende des Flammrohrs 1 zweigen mehrere Rauchrohre 5 von geringerem Durchmesser als dem des Flammrohrs 1 dergestalt ab, daß sie dem Flammrohr 1 seitlich benachbart angeordnet sind und ihre Längsachsen parallel und in einem jeweils gleichen ersten Abstand zur Längsachse des Flammrohrs 1 verlaufen. In der Höhe des dem Brenner 3 zugewandten Endes des Flammrohrs 1 besitzt jedes Rauchrohr 5 eine 180°-Krümmung dergestalt, daß es im weiteren Verlauf wieder parallel und in einem jeweils gleichen zweiten Abstand zur Längsachse des Flammrohrs 1 verläuft, wobei dieser zweite Abstand größer ist als der erste Abstand. Jedes der Flammrohre 5 mündet dann in einen Bereich, der sich demnach auf der dem Brenner 3 entgegengesetzten Seite des Kessels befindet und der wiederum in einer einzigen Abgasabführung 6 mündet. In der Schnittdarstellung der Fig. 1a zeigen das Flammrohr 1, der in dem ersten Abstand vom Flammrohr 1 befindliche Teil eines der Rauchrohre 5 und der in dem zweiten Abstand vom Flammrohr 1 befindliche Teil desselben Rauchrohrs 5 somit einen für einen 3-Zug-Kessel charakteristischen S-förmigen Aufbau.From the end of the flame tube 1 opposite the burner 3 branch several smoke pipes 5 of smaller diameter than that of the flame tube 1 in such a way that it is laterally adjacent to the flame tube 1 are arranged and their longitudinal axes parallel and in one each have the same first distance from the longitudinal axis of the flame tube 1. At the level of the end of the flame tube facing the burner 3 1, each smoke pipe 5 has a 180 ° curvature such that it continues parallel and in the same way in the further course second distance to the longitudinal axis of the flame tube 1, wherein this second distance is greater than the first distance. Each of the flame tubes 5 then opens into an area which is accordingly on the Burner 3 is located on the opposite side of the boiler and in turn opens into a single exhaust gas discharge 6. In the sectional view 1a show the flame tube 1, which is in the first distance from the flame tube 1 part of one of the smoke tubes 5 and in the second distance from the flame tube 1 part of the same Flue pipe 5 thus an S-shaped characteristic of a 3-pass boiler Construction.

In dem Flammrohr 1, den Rauchrohren 5 und dem in die Abgasabführung 6 mündenden Bereich befinden sich Abgase 4, die aus den im Brenner 3 ablaufenden Verbrennungsvorgängen resultieren und in Fig. 1a durch gestrichelte Pfeile angedeutet sind. Auf den Außenseiten des Flammrohrs 1 und der Rauchrohre 5 ist ein Wärmeträgerbereich 7 ausgebildet, der demnach im wesentlichen durch die Wandungen des Flammrohrs 1, der Rauchrohre 5 und des Kessels begrenzt ist und lediglich mit einem Rücklauf 8 und einem Vorlauf 9 Öffnungen zum Kesseläußeren besitzt. Der Wärmeträgerbereich 7 ist mit einem Wärmeträger, wie beispielsweise Wasser, aufgefüllt. In Fig. 1a ist der Wärmeträgerbereich 7 bzw. das Wasser durch die Schraffur gekennzeichnet.In the flame tube 1, the smoke tubes 5 and in the exhaust gas discharge 6 opening area are exhaust gases 4, which from the in Burner 3 resulting combustion processes result in Fig. 1a are indicated by dashed arrows. On the outside of the flame tube 1 and the flue tubes 5 is a heat transfer region 7 formed, which is therefore essentially through the walls of the Flame tube 1, the smoke tubes 5 and the boiler is limited and only with a return 8 and a flow 9 openings to the outside of the boiler has. The heat transfer area 7 is provided with a heat transfer, such as water. In Fig. 1a is the heat transfer area 7 or the water is marked by hatching.

An denjenigen Teilen der Wandungen des Flammrohrs 1 und der Rauchrohre 5, die das Innere der Rohre vom Wärmeträgerbereich 7 trennen, ist eine selektive Schicht 10 angebracht. Diese Schicht ist in Fig. 1a als fett eingezeichnete Linie verdeutlicht.On those parts of the walls of the flame tube 1 and Smoke pipes 5, the inside of the pipes from the heat transfer area 7th separate, a selective layer 10 is attached. This layer is in Fig. 1a clarified as a bold line.

Bei der Verbrennung eines Brennstoffs, wie beispielsweise Öl, Gas oder Wasserstoff, im Brenner 3 entsteht die Flamme 2, die insbesondere in Form von Strahlung Wärme an das Flammrohr 1 abgibt. Die aus den Verbrennungsvorgängen resultierenden Abgase 4 strömen vom Flammrohr 1 entlang der Pfeilrichtung durch die Rauchrohre 5. Dabei geben sie ebenfalls Wärme in Form von Strahlung an die Wandungen des Flammrohrs 1 bzw. der Rauchrohre 5 ab. Die Abgase entweichen schließlich dem Kessel über die Abgasabführung 6.When burning a fuel, such as oil, gas or Hydrogen, in the burner 3, the flame 2 is generated, which in particular Form of radiation gives off heat to the flame tube 1. The from the Exhaust gases 4 resulting from combustion processes flow from the flame tube 1 along the direction of the arrow through the flue pipes 5. Enter they also heat in the form of radiation to the walls of the Flame tube 1 or the smoke tubes 5 from. The exhaust gases escape finally the boiler via the exhaust gas discharge 6.

Das Wasser als Wärmeträger kann über den Rücklauf 8 in den Wärmeträgerbereich 7 eingeführt werden, den Wärmeträgerbereich 7 durchströmen und durch Kontakt mit den Wandungen des Flammrohrs 1 bzw. der Rauchrohre 5 erhitzt werden. Über den Vorlauf 9 kann das derart erhitzte Wasser dem Kessel wieder abgeführt werden, so daß im stationären Betrieb des Kessels der Wärmeträgerbereich 7 kontinuierlich durchströmt wird.The water as a heat transfer medium can return 8 into the heat transfer medium area 7 are introduced, flow through the heat transfer area 7 and by contact with the walls of the flame tube 1 or the smoke pipes 5 are heated. This can be done in advance 9 such heated water can be removed from the boiler again, so that in stationary operation of the boiler, the heat transfer area 7 continuously is flowed through.

Durch die selektiven Schichten 10 an den Wandungen des Flammrohrs 1 bzw. der Rauchrohre 5 wird die Aufnahme von Wärmeleistung von der Flamme 2 bzw. dem Abgas 4 in den Wandungen erhöht, die unerwünschte Wärmeabgabe von den Wandungen in Richtung der Flamme 2 bzw. des Abgases 4 verringert und somit der Netto-Wärmeübertrag von der Flamme 2 und den Abgasen 4 auf das Wasser im Wärmeträgerbereich 7 erhöht.Through the selective layers 10 on the walls of the flame tube 1 or the smoke pipes 5 is the absorption of heat from the Flame 2 or the exhaust gas 4 in the walls increases the undesirable Heat emission from the walls towards the flame 2 or the exhaust gas 4 is reduced and thus the net heat transfer from the flame 2 and the exhaust gases 4 to the water in the heat transfer area 7 increased.

Fig. 1b zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung eines Flammrohrkessels mit einem zylinderförmigen Flammrohr 1 ohne nachfolgend angeordnete Rauchrohre (Aufbau als Sturzbrenner). Dieser Aufbau stellt somit eine erhebliche konstruktive Vereinfachung gegenüber dem 3-Zug-Flammrohr-/ Rauchrohrkessel gemäß Fig. 1a dar. Die Wandung des Flammrohrs 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel gewellt. Das Flammrohr 1 des erfindungsgemäßen Sturzbrenners ist an seiner seitlichen inneren Wandung mit einer in Fig. 1b fett eingezeichneten selektiven Schicht 10 versehen.1b shows a schematic longitudinal sectional illustration of a flame tube boiler with a cylindrical flame tube 1 without subsequent arranged smoke pipes (construction as a fall burner). This structure thus represents a significant constructive simplification compared to the 3-train flame tube / smoke tube boiler according to FIG. 1a. The wall of the flame tube 1 is corrugated in this embodiment. The Flame tube 1 of the fall burner according to the invention is on its side inner wall with a selective in bold in Fig. 1b Provide layer 10.

Außerhalb des Flammrohres 1, in der Verlängerung seiner Längsachse, befindet sich ein Brenner 3. Die in dem Brenner 3 ablaufenden Verbrennungsvorgänge erzeugen eine Flamme 2, die sich über einen großen Bereich des Inneren des Flammrohrs 1 erstreckt, sowie Abgas 4, das sich ebenfalls im Inneren des Flammrohres 1 befindet und in Fig.1b durch gestrichelte Pfeile angegeben ist. An dem dem Brenner 3 abgewandten Ende mündet das Flammrohr 1 in eine Abgasabführung 6, und es besitzt dort ferner einen Abfluß 11.Outside the flame tube 1, in the extension of its longitudinal axis, there is a burner 3. The combustion processes taking place in burner 3 generate a flame 2 that extends over a large Area of the interior of the flame tube 1, and exhaust gas 4, which is also located inside the flame tube 1 and in Fig.1b is indicated by dashed arrows. On the one facing away from the burner 3 The flame tube 1 ends in an exhaust gas discharge 6, and it also has a drain 11 there.

Auf der äußeren, der Flamme 2 abgewandten Seite der Wandung des Flammrohrs 1 ist, schraffiert eingezeichnet, ein mit dem Flammrohr im wesentlichen konzentrischer Wärmeträgerbereich 7 vorgesehen, der durch die Wandung des Flammrohrs 1 und die Wandungen des Kessels abgeschlossen ist. Nach außen ist der Wärmeträgerbereich 7 lediglich durch drei Rückläufe 8 geöffnet, die sich an einer Seitenwand des Kessels und nahe des dem Brenner 3 abgewandten Endes befinden, und durch einen Vorlauf 9, der sich an einer den Rückläufen 8 gegenüberliegenden Seitenwand des Kessels und nahe des dem Brenner 3 zugewandten Endes befindet.On the outer side of the wall facing away from the flame 2 Flame tube 1 is shown hatched, one with the flame tube in provided substantially concentric heat transfer area 7, the through the wall of the flame tube 1 and the walls of the boiler is completed. To the outside, the heat transfer area 7 is only opened by three returns 8, located on a side wall of the boiler and are located near the end facing away from the burner 3, and through a flow 9, which is opposite to the returns 8 Side wall of the boiler and close to the burner 3 facing In the end.

Im stationären Betrieb des Kessels erzeugt ein Verbrennungsvorgang im Brenner 3 die Flamme 2 und das Abgas 4, das kontinuierlich durch das Flammrohr 1 strömt und den Kessel über die Abgasabführung 6 verläßt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel dienen die Flamme 2 und deren Abgas 4 der Erhitzung eines den Wärmeträgerbereich 7 durchströmenden Wärmeträgers, wie beispielsweise Wasser. Das Wasser kann dem Bereich 7 bei unterschiedlicher Temperatur zugeführt werden, wobei bei höherer Temperatur des Wassers ein Rücklauf 8 nahe des Brenners 3 und bei niedrigerer Temperatur des Wassers ein Rücklauf 8 weiter entfernt vom Brenner 3 vorgesehen ist. Dadurch werden ein effizienter Wärmeübertrag auf das Wasser und eine hohe Temperatur des Wassers bei Verlassen des Wärmeträgerbereichs 7 durch den Vorlauf 9 erreicht. During the stationary operation of the boiler, a combustion process in the Burner 3, the flame 2 and the exhaust gas 4, which is continuously through the Flame tube 1 flows and leaves the boiler via the exhaust gas discharge 6. The flame 2 and its serve also in this embodiment Exhaust gas 4 from the heating of a flowing through the heat transfer area 7 Heat transfer medium, such as water. The water can the area 7 are fed at different temperatures, wherein at a higher water temperature, a return 8 near the burner 3 and at lower water temperatures a return 8 is provided further away from the burner 3. This will make it more efficient Heat transfer to the water and a high temperature of the Water when leaving the heat transfer area 7 through the flow 9 reached.

Die selektive Schicht 10 der Wandung des Flammrohrs 1 ermöglicht auch in diesem Ausführungsbeispiel einen verbesserten Übergang der Wärme der Flamme 2 und des Abgases 4 über das Flammrohr 1 in den Wärmeträgerbereich 7. Der somit verbesserte Wirkungsgrad der Vorrichtung erlaubt diese gegenüber dem 3-Zug-Flammrohr-/Rauchrohrkessel gemäß Fig. 1a mit weniger Wärmeübertragungsfläche ausgestaltete, jedoch konstruktiv einfachere Bauweise.The selective layer 10 of the wall of the flame tube 1 enables also in this embodiment an improved transition of Heat the flame 2 and the exhaust gas 4 via the flame tube 1 in the Heat transfer area 7. The improved efficiency of the device allows this compared to the 3-pass flame tube / smoke tube boiler 1a designed with less heat transfer surface, however structurally simpler construction.

Eine weitere Verbesserung des Wärmeübertrags von der Flamme 2 und dem Abgas 4 in den Wärmeträgerbereich 7 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch die gewellte Ausgestaltung der Wandung des Flammrohrs 1 erreicht. Die somit vergrößerte Oberfläche dieser Wandung verbessert insbesondere den Wärmeübergang von der Wandung auf den Wärmeträger. Eine derartige gewellte Ausgestaltung des Flammrohrs 1 ist jedoch nicht notwendig, um mit Hilfe der selektiven Schicht 10 an der Wandung einen erfindungsgemäß verbesserten Wärmeübertrag zu erreichen.A further improvement in the heat transfer from the flame 2 and the exhaust gas 4 in the heat transfer area 7 is in this embodiment by the corrugated design of the wall of the Flame tube 1 reached. The thus enlarged surface of this wall improves in particular the heat transfer from the wall on the heat transfer medium. Such a corrugated design of the Flame tube 1 is, however, not necessary to use the selective Layer 10 on the wall an improved heat transfer according to the invention to reach.

Da der erfindungsgemäß verbesserte Wirkungsgrad des Sturzbrenners gemäß Fig. 1b auch eine niedrigere Temperatur der Flamme 2 und des den dargestellten Kessel verlassenden Abgases 4 bewirkt, entsteht im Flammrohr 1 Abgaskondensat. Das Abgaskondensat kann über den Abfluß 11 abgeführt werden. Das Flammrohr 1 kann aus gegenüber dem Abgaskondensat chemisch unempfindlichem Edelstahl gefertigt sein.Since the efficiency of the fall burner improved according to the invention 1b also a lower temperature of the flame 2 and causes the exhaust gas 4 leaving the boiler, arises in Flame tube 1 exhaust gas condensate. The exhaust gas condensate can Drain 11 are discharged. The flame tube 1 can be compared the exhaust gas condensate made of chemically insensitive stainless steel his.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Verbrennungsofens, der aus einem Feuerungsraum 12 und einem 3-Zug-Strahlungskessel 13 besteht. Der Feuerungsraum 12 besitzt auf einer Seite eine Brennstoffzuführung 14 und auf der gegenüberliegenden Seite eine unterhalb der Brennstoffzuführung 14 befindliche Reststoffabführung 15. Zwischen der Brennstoffzuführung 14 und der Reststoffabführung 15 befinden sich ein in Richtung der Reststoffabführung 15 geneigter Rost 16 sowie ein unterhalb dieses Rosts 16 angeordneter Brenner 3. Oberhalb des Rosts 16 sind Flammen 2 und durch gestrichelte Pfeile gekennzeichnetes Abgas 4 eingezeichnet.Fig. 2 is a schematic representation of an incinerator from a combustion chamber 12 and a 3-pass radiation boiler 13 consists. The combustion chamber 12 has a fuel supply on one side 14 and on the opposite side one below the Fuel feed 14 located waste material removal 15. Between the fuel feed 14 and the residue removal 15 are there is a grate 16 inclined in the direction of the residue removal 15 and a burner arranged below this grate 16 Rust 16 are flames 2 and indicated by dashed arrows Exhaust gas 4 shown.

Oberhalb des Rosts 16 besitzt der Feuerungsraum 12 als Teil seiner Wandung eine nach oben geneigte Strahlungsheizfläche 17. Oberhalb der Strahlungsheizfläche 17 verjüngt sich der Feuerungsraum 12 zu einer Ausmündung, an die sich der 3-Zug-Strahlungskessel 13 anschließt.Above the grate 16, the combustion chamber 12 has part of it Wall of an upwardly inclined radiant heating surface 17. Above the combustion chamber 12 tapers towards the radiant heating surface 17 an opening to which the 3-pass radiation boiler 13 connects.

Der 3-Zug-Strahlungskessel 13 enthält ein Abgasrohr 5, das in einer mäandrierenden Ausgestaltung drei nacheinander parallel angeordnete Abschnitte umfaßt. Das eine Ende des Abgasrohres 5 ist an die Ausmündung des Feuerungsraumes 12 angeschlossen, das andere Ende mündet in einer Abgasabführung 6. Das Abgas 4 befindet sich auch im Abgasrohr 5.The 3-train radiation boiler 13 contains an exhaust pipe 5, which in one meandering design three successively arranged in parallel Sections includes. One end of the exhaust pipe 5 is at the mouth of the combustion chamber 12 connected, the other end opens into an exhaust gas discharge 6. The exhaust gas 4 is also in the Exhaust pipe 5.

Die dem Feuerungsraum 12 abgewandte Seite der Strahlungsheizfläche 17 und die Außenseite des Abgasrohres 5 sind als ein in Fig. 2 schraffiert eingezeichneter Wärmeträgerbereich 7 ausgestaltet. Der Wärmeträgerbereich 7 enthält einen Wärmeträger, wie beispielsweise Wasser oder Wasserdampf. Die Strahlungsheizfläche 17 ist an ihrer dem Feuerungsraum 12 zugewandten Seite mit einer selektiven Schicht 10 versehen. The side of the radiant heating surface facing away from the combustion chamber 12 17 and the outside of the exhaust pipe 5 are hatched as one in FIG. 2 drawn heat transfer area 7 designed. The heat transfer area 7 contains a heat transfer medium such as water or Steam. The radiant heating surface 17 is on the combustion chamber 12 facing side with a selective layer 10.

An den Verbindungsflächen zwischen dem Abgasrohr 5 und dem Wärmeträgerbereich 7 ist auch die Wandung des Abgasrohrs 5 an ihrer Innenseite mit einer selektiven Schicht 10 versehen. Die selektive Schicht ist in Fig. 2 jeweils fett eingezeichnet.At the connection surfaces between the exhaust pipe 5 and the heat transfer area 7 is also the wall of the exhaust pipe 5 on its inside provided with a selective layer 10. The selective layer is shown in bold in FIG. 2.

Über die Brennstoffzuführung 14 wird dem Feuerungsraum 12 Brennstoff, beispielsweise in Form von Haus- oder Industriemüll, Biomasse, Klärschlamm oder Kohle, zugeführt. Dieser Brennstoff wird im Betrieb des Verbrennungsofens auf dem als Feuerungsmittel fungierenden Rost 16 verbrannt. Nichtbrennbare Bestandteile dieses Brennstoffs werden dem Feuerungsraum 12 über die Reststoffabführung 15 abgeführt. Als zusätzliches, die Rostfeuerung unterstützendes Feuerungsmittel kann der Brenner 3 dienen, der hierfür auf nicht eingezeichnete Weise mit einem weiteren Brennstoff versorgt werden müßte.The combustion chamber 12 receives fuel, for example in the form of domestic or industrial waste, biomass, Sewage sludge or coal. This fuel is in operation of the incinerator on the grate that acts as a firing medium 16 burned. Non-combustible components of this fuel discharged to the combustion chamber 12 via the residue removal 15. As additional firing agent that supports the grate firing can the burner 3 are used for this purpose in a manner not shown another fuel would have to be supplied.

Von der bei diesen Verbrennungsvorgängen entstehenden Flamme 2 und von dem in Pfeilrichtung durch den Feuerungsraum 12 und das Abgasrohr 5 des 3-Zug-Strahlungskessels 13 strömenden Abgas 4 wird über die Strahlungsheizfläche 17 und über Teile der Wandung des Abgasrohrs 5 Wärme in den Wärmeträgerbereich 7 abgegeben. Der Wärmeträgerbereich 7 wird zur Aufnahme und Abführung dieser Wärme kontinuierlich mit dem Wasser oder Wasserdampf als Wärmeträger durchströmt. Hierfür sind am Wärmeträgerbereich 7 ein Rücklauf und ein Vorlauf vorgesehen, die nicht in Fig. 2 eingezeichnet sind.From the flame 2 that arises during these combustion processes and of which in the direction of the arrow through the combustion chamber 12 and that Exhaust pipe 5 of the 3-train radiation boiler 13 is flowing exhaust gas 4 over the radiant heating surface 17 and over parts of the wall of the exhaust pipe 5 heat given off in the heat transfer area 7. The heat transfer area 7 is used to absorb and dissipate this heat continuously with water or water vapor as a heat carrier flows through. For this purpose, a return and at the heat transfer area 7 a lead is provided, which are not shown in Fig. 2.

Zur Erhöhung der von der Flamme 2 und dem Abgas 4 über die Strahlungsheizfläche 17 bzw. die Wandung des Abgasrohrs 5 auf das Wasser oder den Wasserdampf übertragenen Wärmeleistung sind die Strahlungsheizfläche 17 und die vorerwähnten Teile der Wandung des Abgasrohrs 5 mit der selektiven Schicht 10 versehen.To increase the flame 2 and the exhaust gas 4 via the radiant heating surface 17 or the wall of the exhaust pipe 5 on the water or the heat output transmitted by water vapor is the radiant heating surface 17 and the aforementioned parts of the wall of the exhaust pipe 5 provided with the selective layer 10.

Fig. 3 zeigt den typischen Intensitätsverlauf der bei rußfreier Verbrennung von Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen von der Flamme emittierten Wärmestrahlung, aufgetragen gegen ihre Wellenlänge. Der für Temperaturstrahlung typischen kontinuierlichen Verteilung sind mehrere ausgeprägte Intensitätsmaxima überlagert, die mit λ1, λ2, λ3 und λ4 bezeichnet sind und im µm-Bereich liegen.FIG. 3 shows the typical intensity curve of the thermal radiation emitted by the flame in the case of soot-free combustion of hydrogen and hydrocarbons, plotted against their wavelength. The continuous distribution typical of temperature radiation is overlaid by several pronounced intensity maxima, which are denoted by λ 1 , λ 2 , λ 3 and λ 4 and are in the μm range.

Die Selektivität der selektiven Schicht kann so ausgestaltet sein, daß sie Maxima besitzt in Wellenlängenbereichen, die den in Fig. 3 dargestellten Maxima der Wärmestrahlungsemission der Wärmequelle entsprechen.The selectivity of the selective layer can be designed so that it Maxima has in wavelength ranges that shown in Fig. 3 Maxima correspond to the heat radiation emission of the heat source.

Fig. 4a zeigt die schematische Schnittdarstellung einer flächigen Nadelstruktur, Fig. 4b die einer flächigen Pyramidenstruktur.4a shows the schematic sectional illustration of a flat needle structure, 4b that of a flat pyramid structure.

Die beiden dargestellten Flächenstrukturen stellen mögliche Ausführungsformen einer selektiven Schicht dar. Insbesondere kann das Periodizitätsintervall dieser Strukturen, jeweils mit λi bezeichnet, mindestens einem der in Fig. 3 aufgezeigten Intensitätsmaxima der Wärmestrahlung der Wärmequelle entsprechen, so daß die selektive Schicht an mindestens einem der Intensitätsmaxima ihre höchste Selektivität besitzt.The two surface structures shown represent possible embodiments of a selective layer. In particular, the periodicity interval of these structures, each denoted by λ i , can correspond to at least one of the intensity maxima shown in FIG. 3 of the heat radiation from the heat source, so that the selective layer to at least one of the intensity maxima has its highest selectivity.

Claims (17)

  1. An apparatus for heating a heat transfer medium with a combustor (3, 16) made for the generation of a source of heat (2, 4), with a zone (7) for a heat transfer medium and with a wall, in particular a boiler wall or a pipe wall, located between the source of heat (2, 4) and the heat transfer medium zone (7), characterised by a selective layer (10) which is located at at least one side of the wall, which promotes the absorption in the wall of the heating power originating from the source of heat (2, 4) and/or which hinders the emission into the direction of the source of heat (2, 4) of the heating power originating from the wall,
    wherein the selectivity of the selective layer (10) has a maximum in one or more wavelength ranges (λ1, λ2, λ3, λ4) of the thermal radiation emitted by the source of heat (2, 4).
  2. An apparatus in accordance with claim 1, characterised in that the wavelength ranges (λ1, λ2, λ3, λ4) of maximum selectivity correspond to those wavelength ranges at which an intensity maximum of the thermal radiation emitted by the source of heat (2, 4) is present.
  3. An apparatus for heating a heat transfer medium with a combustor (3, 16) made for the producing of a source of heat (2, 4), with a heat transfer medium zone (7) and with a wall, in particular a boiler wall or a pipe wall, located between the source of heat (2, 4) and the heat transfer medium zone (7), characterised by a selective layer (10) which is located at at least one side of the wall, which promotes the absorption in the wall of the heating power originating from the source of heat (2, 4) and/or which hinders the emission into the direction of the source of heat (2, 4.) of the heating power originating from the wall,
    wherein the selective layer (10) has elevations and/or recesses which in particular form a micro-structure.
  4. An apparatus for heating a heat transfer medium with a combustor (3, 16) made for the producing of a source of heat (2, 4), with a heat transfer medium zone (7) and with a wall, in particular a boiler wall or a pipe wall, located between the source of heat (2, 4) and the heat transfer medium zone (7), in particular a boiler wall or a pipe wall, characterised by a selective layer (10) which is located at at least one side of the wall, which promotes the absorption in the wall of the heating power originating from the source of heat (2, 4) and/or which hinders the emission into the direction of the source of heat (2, 4) of the heating power originating from the wall,
    wherein the selective layer (10) is produced by cathode sputtering, galvanising, nicking, brushing, polishing, grinding, exposure to laser radiation or by a combination of the said methods.
  5. An apparatus in accordance with any one of the preceding claims, characterised in that the selective layer (10) is located at the side of the wall facing the source of heat (2, 4).
  6. An apparatus in accordance with any one of the preceding claims, characterised in that the selective layer (10) includes a needle lattice structure, a trapezoid lattice structure, a pyramid lattice structure or a crystal lattice structure or a combination therefrom.
  7. An apparatus in accordance with any one of the preceding claims, characterised in that the selective layer (10) is manufactured by treating a surface of the wall.
  8. An apparatus in accordance with any one of the preceding claims, characterised in that the selective layer (10) is manufactured by applying an additional layer to the wall.
  9. An apparatus in accordance with claim 8, characterised in that the additional layer is manufactured by galvanic coating, sinterfusing, vapour coating, application of films, application of filters, in particular of interference filters and semi-conductor filters, or by a combination of the said methods.
  10. An apparatus in accordance with any one of the preceding claims, characterised in that flames (2) and/or emissions (4) arising during a combustion process taking place in the combustor (3, 16) serve as the source of heat.
  11. An apparatus in accordance with any one of the preceding claims, characterised in that the source of heat (2, 4) can be produced by combustion of fuel containing hydrogen and/or containing carbon.
  12. An apparatus in accordance with any one of claims 1 to 10, characterised in that the source of heat (2, 4) can be produced by combustion of natural gas, hydrogen, heating oil, coal or other inorganic or organic fuels.
  13. An apparatus in accordance with any one of claims to 10, characterised in that the source of heat (2, 4) can be produced by combustion of waste fuel, in particular of domestic and industrial waste, sewage sludge, screenings, filter cake, biogas or vegetable waste.
  14. An apparatus in accordance with any one of the preceding claims, characterised in that the wall is formed at least by a zone of a flame tube (1), of a smoke tube (5), of an exhaust gas tube (5), of a flame tube boiler and/or a smoke tube boiler having one or more flues, of a radiant boiler (13), of a waste heat boiler, of a radiant heating surface (17), of a combustion chamber (12) or of a heat exchanger surface.
  15. An apparatus in accordance with any one of the preceding claims, characterised in that the heat transfer medium zone (7) is designed for the reception of liquid, gaseous and/or solid heat transfer media.
  16. A heat engine, in particular a combustion engine, a turbine, a Stirling engine or a fuel cell, characterised in that the interior side of a combustion chamber, a heat exchanger surface of the machine and/or a moving part of the machine, in particular a piston or a turbine guide vane, is provided at least regionally with a selective layer in accordance with the characteristic of one or more of claims 1 to 15.
  17. An apparatus in accordance with any one of claims 1 to 16, characterised in that the selective layer consists at least partly of a catalytically active material.
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