EP2314947B1 - Feststoff-Brennvorrichtung mit Wärmetauscher zur Wärmeübertragung an einen Flüssigkeits-Kreislauf - Google Patents

Feststoff-Brennvorrichtung mit Wärmetauscher zur Wärmeübertragung an einen Flüssigkeits-Kreislauf Download PDF

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EP2314947B1
EP2314947B1 EP10187408.9A EP10187408A EP2314947B1 EP 2314947 B1 EP2314947 B1 EP 2314947B1 EP 10187408 A EP10187408 A EP 10187408A EP 2314947 B1 EP2314947 B1 EP 2314947B1
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EP
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heat exchanger
solid fuel
heat
ribs
combustion device
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Heribert Posch
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    • F24H1/22—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating
    • F24H1/38—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water contained in separate elements, e.g. radiator-type element
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    • F23B50/02—Combustion apparatus in which the fuel is fed into or through the combustion zone by gravity, e.g. from a fuel storage situated above the combustion zone the fuel forming a column, stack or thick layer with the combustion zone at its bottom
    • F23B50/06—Combustion apparatus in which the fuel is fed into or through the combustion zone by gravity, e.g. from a fuel storage situated above the combustion zone the fuel forming a column, stack or thick layer with the combustion zone at its bottom the flue gases being removed downwards through one or more openings in the fuel-supporting surface
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23B—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING ONLY SOLID FUEL
    • F23B80/00—Combustion apparatus characterised by means creating a distinct flow path for flue gases or for non-combusted gases given off by the fuel
    • F23B80/04—Combustion apparatus characterised by means creating a distinct flow path for flue gases or for non-combusted gases given off by the fuel by means for guiding the flow of flue gases, e.g. baffles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24B—DOMESTIC STOVES OR RANGES FOR SOLID FUELS; IMPLEMENTS FOR USE IN CONNECTION WITH STOVES OR RANGES
    • F24B9/00—Stoves, ranges or flue-gas ducts, with additional provisions for heating water 
    • F24B9/04—Stoves, ranges or flue-gas ducts, with additional provisions for heating water  in closed containers
    • 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
    • F24H2230/00—Solid fuel fired boiler

Definitions

  • the invention relates to a solid fuel combustion device having a heat exchanger for heat transfer to a fluid circuit.
  • Such fuel devices are used, for example, to operate the central heating of a residential house with solid fuel, such as wood.
  • the heat generated by the combustion device is supplied via the heat exchanger and the liquid circuit a liquid-filled heat storage, from which the consumers - for example, underfloor heating, hot water consumption points, etc. - get their heat energy.
  • the space of the pre-combustion chamber is greatly increased above the combustion grate on which forms the ember, and also serves as a fuel storage space, filled in the up to 1 m 3 solid fuel at once can be, for example, logs.
  • the burnup so the flue gas duct, usually takes place from the pre-combustion chamber through the combustion grate down into the afterburner, where the afterburning of the flue gases takes place, usually with the help of the secondary air supplied there or in the region of the combustion grate.
  • devices have been proposed which are intended to solve the deposits by automatic knocking or hitting or in the heat exchanger elements, or to prevent their setting.
  • the heat exchanger ribs over a small portion of their surface in physical contact with the liquid-carrying part of the heat exchanger (hereinafter referred to as liquid part), the amount of tar deposits is drastically reduced.
  • Tar deposits are due to a caused by rapid drop in temperature condensation of gaseous or vaporous combustion residues present in the flue gases, since the areas of the heat exchanger elements flowed through at the back of the liquid of the heat exchanger have a much lower temperature than the flue gases.
  • the heat exchanger fins are tubes whose interior is traversed by cool liquid
  • the entire outer surface of the tubes, which is flowed from the flue gases, due to the full-surface contact with the cool liquid is approximately at the temperature level of the liquid.
  • heat exchanger fins In the heat exchanger fins according to the invention, these are in physical contact with the liquid part of the heat exchanger only over a small cross-sectional area and only in this small part is the Temperature of the heat exchanger fin approximately that of the cooler liquid.
  • the remaining, much larger, part of the heat-conductive material, usually metal, existing heat exchanger fins is not in direct physical contact with the cool liquid part, but is flowed on both sides of the hot flue gases and therefore has a temperature level close to the temperature of the Flue gases on.
  • the heat exchanger fins are preferably made of folded sheet metal material, according to the invention are U-shaped, and are attached to the outside of their connecting intermediate leg on the particular flat outside of the liquid-flow part of the heat exchanger surface, in particular welded, e.g. MAG-welded, soldered or glued.
  • This cladding of heat-storing material faces on the opposite side, ie its rear side facing away from the heat exchanger, the main combustion chamber and / or the fuel storage space and / or the afterburner and extends in particular over all three areas and thus the entire height of the combustion device.
  • a further cover made of sheet steel may be present.
  • the heat-storing panel causes in times of low heat input by the flue gases on the heat exchanger fins that the heat exchanger fins are then kept by the heat-storing material then emitted radiant heat substantially at the high temperature.
  • the cross-sectional area of the heat exchanger fins considered in the direction of heat exchanger lining in the direction of heat exchanger fins and in particular their parts not in contact with the liquid part is to be as large as possible, which is why with heat-exchanger fins folded in a U-shape, these are preferably connected to the free end. shaped diverge legs are designed.
  • the heat exchanger ribs may also consist of simple plates which are attached with a narrow side of the liquid part, but then the contact surface to the liquid part is very low and the efficiency of the heat exchanger is reduced.
  • the V-shaped apart heat exchanger fins have the further advantage that - if it should form deposits inside the heat exchanger ribs - they can be very easily mechanically cleaned by a cleaning cover removed above the heat exchanger and using a brush, the heat exchanger fins from above be brushed down so that deposits fall down into the after-combustion chamber.
  • the liquid-flowed part of the heat exchanger can be a rectangular, flat box, which forms the outer wall of the heat exchanger, and from one side of the U-shaped, in each case parallel from bottom to top according to the flow direction of the flue gases extending - heat exchanger ribs are soldered or welded with their middle leg.
  • connection of these metallic parts of the heat exchanger to the arranged at a small distance from the free ends of the heat exchanger fins heat storing panel is neither necessary nor useful, because these two parts have very different expansion behavior and should not be mechanically interconnected.
  • the therefore necessarily existing distance between the free ends of the heat exchanger fins on the one hand and the heat-storing panel on the other hand should be kept as low as possible in order to keep as low as possible a passage of flue gases that have no contact with the heat exchanger fins and the distance losses of radiant heat of The heat-storing panel on the heat exchanger ribs also to minimize.
  • FIG. 1 a shows a vertical section of the schematic diagram of a generic combustion device 1 according to the prior art.
  • the burning takes place down through the grate 2, since the primary air inlet 27 above the burner grate 2, z. B. as shown in the side wall 11 a, b, and are passed through the combustion grate 2 down in the arranged below the afterburner 4 and from there into the lower open end of the heat exchanger 20, each in a side wall 11 a, b and / or the rear wall of the combustion device 1 is arranged and lies approximately at the level of the lower end of the afterburner 4.
  • the flue gases then flow in the side walls 11 a, b through the heat exchanger 20 upwards, and are passed at the upper outlet of the heat exchanger 20 in the housing 11 of the combustion device 1 to a central central flue gas discharge 5.
  • FIG. 1 are the grate bars 2a, b - which individually in the supervision of the FIG. 1 b are visible - formed as hollow tubes and give the flue gases through outlet openings 7a, b secondary gas 8, usually air, from the flue gases to improve the afterburning in the afterburner 4.
  • the metal grate bars 2a, b lie on the side of a side lining 13 of the Nachbrennraumes 4, which usually consists of heat-storing and heat-resistant material such as chamotte or silicon carbide, while the rest of the housing 11 of the burner is made of sheet steel.
  • FIG. 2 The solution of FIG. 2 is different from the one of FIG. 1 in that the supply of secondary gas 8 does not take place through the grate bars 2a, b, but instead 2 special nozzle tubes 6 are present in the afterburner 4 below the combustion grate, which have outlet openings 7a, b for secondary gas 8 at their side surfaces and - via the in FIG. 2b apparent distribution box 9 - be charged with secondary gas.
  • FIG. 3a shows a specific generic combustion device 1 in exploded view and in FIG. 3b in the supervision.
  • main and secondary combustion chamber 3, 4 made of refractory material is omitted in these illustrations. There are only the metal parts of the housing 11 drawn.
  • the ribs 22 of the heat exchanger 20 are arranged in the hollow side walls 11 a, b of the housing of the burner device 1.
  • the central flue gas outlet 5 can be seen in the rear area, to which the flue gases are directed after high currents in the lateral heat exchangers 20.
  • a heat exchanger can also be arranged in the rear wall 11d of the housing 11, which as a rule is not necessary since the side walls 11a, b are large enough.
  • the inventive feature of the heat exchanger 20 is best in the horizontal section of the FIG. 4 visible through the heat exchanger 20.
  • the liquid-flow through part 24 of the heat exchanger 20 can be seen, which is for example a welded steel sheet, cuboid, flat, almost plate-shaped box, which extends along the entire side surface of the burner may extend from the lower edge of the Nachbrennraumes to the upper edge of the fuel storage space 23.
  • the heat exchanger ribs 22 are usually made of sheet steel, possibly also made of copper or aluminum, and are usually folded sheet metal parts, so in the simplest case have over the entire cross-sectional extent constant wall thickness.
  • the wall thickness increases from the free end of the heat exchanger fin 22b, c towards the central leg 22a, in accordance with the heat flux increasing in this direction.
  • liquid part 24 Opposite the liquid part 24 is - parallel to and at a small distance 26 to the free ends of the heat exchanger ribs 22 - arranged a flat panel 25 of a heat-storing material such as fireclay or silicon carbide, so that the flow space 28 for the flue gases in the heat exchanger through this panel 25 on the one hand and the liquid part 24 on the other hand is limited and on the front and rear end faces, not shown, of course, by corresponding foreclosures, usually made of sheet metal.
  • a heat-storing material such as fireclay or silicon carbide
  • the absolute height of the temperature curve according to FIG. 6 depends on what height of the heat exchanger 20 - so according to the direction of progress of the flue gases through the heat exchanger 20 through - it is recorded, because the temperature T RG of the flue gases decreases increasingly in this process.
  • this minimum temperature difference ⁇ T min is generally not exceeded, but at most in the region of the middle leg 22a.
  • FIG. 3b shows, above the heat exchanger 20 in addition to the middle lid 11c each have a cleaning cover 30 which can be removed, so that then with a matching brush, the heat exchanger ribs 22 can be cleaned from above.
  • the loosening deposits fall down along the ribs 22 and then lie in the afterburner 4, where they can be disposed of together with the rest of the ash there.
  • This heat-storing panel 25 is heated on the one hand by the flue gases flowing along, on the other hand, but also by the heat acting from the opposite side, ie from the combustion chambers 3. 4, on the heat-storing panel 25 heat directly.
  • the heat-storing cladding 25 must have a sufficient volume, that is to say a sufficient thickness, as it generally extends over the entire side surface of the burner device 1, as does the liquid part 24.
  • the distance 26 between the free ends of the heat exchanger fins 22 and the panel 25 is chosen as small as possible, but no mechanical connection between these two parts is possible and not necessary.
  • FIG. 5 shows an exemplary design of a single heat exchanger rib 22, as it can be easily generated in a bending device of a simple sheet metal strip, which is bent centrally by means of a round rod contour.
  • the middle leg 22a of the heat exchanger fin is bent semicircular with convex curvature outwards and serves for fixing to the liquid part 24th
  • the wall thickness is about 3 mm with a radius of curvature of the middle leg 22a that is about four times as large.
  • a plurality of through holes 29 are arranged in the middle of the connecting leg 22a, which are e.g. can be used for spot welding to the liquid part 24, but this serves only as pre-fixing.
  • the rib 22 is welded along its entire length continuously relative to the liquid part 24 in order to achieve a good heat transfer.

Description

    I. Anwendungsgebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Feststoff-Brennvorrichtung, die einen Wärmetauscher zur Wärmeübertragung an einen Flüssigkeitskreislauf aufweist.
    • II. Technischer Hintergrund
  • Derartige Brennstoffvorrichtungen werden beispielsweise benutzt, um die Zentralheizung eines Wohnhauses mit Festbrennstoff, beispielsweise Holz, zu betreiben.
  • Die von der Brennvorrichtung erzeugte Wärme wird über den Wärmetauscher und den Flüssigkeitskreislauf einem flüssigkeitsgefüllten Wärmespeicher zugeführt, von dem aus die Verbraucher - beispielsweise Fußbodenheizung, Warmwasserverbrauchsstellen, etc. - ihre Wärmeenergie holen.
  • Damit eine solche Brennvorrichtung über längere Zeit ohne Beaufsichtigung brennen kann, ist oberhalb des Brennrostes, auf dem sich das Glutbett bildet, der Raum der Vorbrennkammer nach oben stark vergrößert, und dient gleichzeitig als Brennstoffvorratsraum, in den bis zu 1 m3 Festbrennstoff auf einmal eingefüllt werden können, wenn es sich beispielsweise um Scheitholz handelt.
  • Indem die Primärluftzufuhr nur knapp oberhalb des Brennrostes erfolgt, bildet sich nur dort ein Glutbett aus, während die höher liegenden Bereiche im Brennstoffvorratsraum durch den Abbrand zwar erwärmt werden, aber nicht vollständig in Brand geraten.
  • Der Abbrand, also die Rauchgasführung, erfolgt üblicherweise von dem Vorbrennraum durch den Brennrost hindurch nach unten in den Nachbrennraum, wo die Nachverbrennung der Rauchgase stattfindet, meist mit Hilfe der dort oder im Bereich des Brennrostes zugeführten Sekundärluft.
  • Diese nach unten geführten Brenngase werden anschließend durch die Rippen eines Wärmetauschers geleitet, der meist großflächig in den Seitenwänden des Gehäuses der Brennvorrichtung untergeordnet ist. Dort strömen die Rauchgase von unten nach oben durch den Wärmetauscher zum Kamin, und übertragen dabei einen Großteil ihrer Wärme auf den Flüssigkeitskreislauf, der die Wärmetauscherelemente z. B. auf den Außenseiten umströmt. Häufig werden als Wärmetauscherelemente Rohre verwendet, sodass durch das Innere der Rohre die Rauchgase strömen und diese Rohre auf der Außenseite von der Flüssigkeit des Wärmetauscherkreislaufs umströmt werden oder umgekehrt.
  • Dabei gibt es ein massives Problem der Ablagerung von Verbrennungsrückständen an den Wärmetauscherelementen auf der rauchgasdurchströmten Seite:
    • Diese Ablagerungen enthalten unter anderem Teer und haften äußerst fest an der Oberfläche der Wärmetauscherelemente, sodass diese nach kurzer Zeit von einer dicken Schicht bedeckt sind, was zum einen den Wärmeübergang verschlechtert, vor allem aber den Durchtrittsquerschnitt für das Rauchgas immer weiter verringert, bis die Rauchgase nicht mehr ausreichend schnell abziehen können und damit die gesamte Brennvorrichtung nicht mehr funktioniert.
  • Da dies sehr schnell geht, wurden Vorrichtungen vorgeschlagen, um die Ablagerung von Verbrennungsrückständen automatisch wieder zu beseitigen:
    • Beispielsweise wurden in den Wärmetauscherrohren helixfförmige Federn angeordnet, die in den Rohren auf und ab bewegt werden können, und dadurch die Ablagerungen in den Rohren wieder durch Abkratzen beseitigen sollen.
  • Auch wurden Vorrichtungen vorgeschlagen, die durch automatisches Klopfen oder Schlagen an oder in den Wärmetauscherelementen die Ablagerungen lösen sollen, bzw. deren Festsetzen verhindern sollen.
  • Dabei handelt es sich jedoch allesamt um mechanische Lösungen, die einen hohen konstruktiven Aufwand bedeuten und mit der Zeit einem Verschleiß und einer Funktionsstörung unterliegen können, also ein hohes Störungspotential darstellen.
  • Dokument DE 3737661 A1 offenbart den Oberbegriff des Anspruchs 1.
    • III. Darstellung der Erfindung a) Technische Aufgabe
  • Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, eine Brennvorrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei der das Risiko der dauerhaften Ablagerung von Verbrennungsrückständen an den Wärmetauscherelementen stark verringert ist trotz einfachem und kostengünstigem Aufbau der Brennvorrichtung.
    • b) Lösung der Aufgabe
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Indem die Wärmetauscherrippen über einen geringen Anteil ihrer Fläche in körperlichem Kontakt mit dem Flüssigkeit führenden Teil des Wärmetauschers (im Folgenden kurz Flüssigkeitsteil genannt) stehen, wird die Menge an Teerablagerungen drastisch reduziert.
  • Teerablagerungen erfolgen aufgrund einer durch schnellen Temperaturabfall bedingten Kondensation der in den Rauchgasen gasförmig oder dampfförmig vorhandenen Verbrennungsrückstände, da die auf der Rückseite von der Flüssigkeit des Wärmetauschers durchströmten Bereiche der Wärmetauscherelemente eine sehr viel geringere Temperatur als die Rauchgase besitzen.
  • Wenn also beispielsweise die Wärmetauscherrippen Rohre sind, deren Inneres von kühler Flüssigkeit durchströmt wird, ist die gesamte Außenfläche der Rohre, die von den Rauchgasen beströmt wird, aufgrund des vollflächigen Kontaktes mit der kühlen Flüssigkeit annähernd auf dem Temperaturniveau der Flüssigkeit.
  • Dadurch finden Kondensation und Ablagerungen auf der gesamten Oberfläche der Wärmetauscherrohre oder -elemente, die den Rauchgasen zugewandt sind, statt.
  • Bei den erfindungsgemäßen Wärmetauscherrippen sind diese nur über einen geringen Querschnittsbereich in körperlichen Kontakt mit dem Flüssigkeitsteil des Wärmetauschers und nur in diesem geringen Teil beträgt die Temperatur der Wärmetauscherrippe annähernd der der kühleren Flüssigkeit.
  • Der restliche, weitaus größere, Teil der aus gut wärmeleitfähigem Material, in der Regel Metall, bestehenden Wärmetauscherrippen steht nicht in direktem körperlichen Kontakt mit dem kühlen Flüssigkeitsteil, sondern ist auf beiden Seiten von den heißen Rauchgasen beströmt und weist deshalb ein Temperaturniveau nahe der Temperatur der Rauchgase auf.
  • Dadurch werden sich an diesem heißen Teil der Wärmetauscherrippen kein Kondensat und keine Teerablagerungen niederschlagen oder zumindest sehr viel weniger als bei den bekannten Lösungen.
  • Natürlich bedingt dies einen relativ starken Temperaturgradienten innerhalb des Querschnittes der Wärmetauscherrippen im Betrieb der Brennvorrichtung. Durch Variation der Anzahl und Wandstärken Wärmetauscherrippen und Wärmeleitfähigkeit des Materials der Wärmetauscherrippen kann dennoch ein hoher Wirkungsgrad des Wärmetauschers sichergestellt werden.
  • Die Wärmetauscherrippen bestehen vorzugsweise aus gekantetem Blechmaterial, sind erfindungsgemäß U-förmig gestaltet, und sind mit der Außenseite ihres verbindenden Zwischenschenkels an der insbesondere ebenen Außenseite des von der Flüssigkeit durchströmten Teils des Wärmetauschers flächig befestigt, insbesondere verschweißt, z.B. MAG-verschweisst, verlötet oder verklebt.
  • Um das Temperaturniveau an den Wärmetauscherrippen möglichst konstant zu halten, auch in Phasen eines reduzierten oder gestoppten Abbrandes von Brennmaterial, ist auf der flüssigkeitsabgewandten Seiten der Wärmetauscherrippen und in möglichst geringem Abstand hierzu eine Verkleidung aus Wärme speicherndem Material, beispielsweise Schamotte oder Siliciumcarbid, angeordnet, die insbesondere gleichzeitig als Begrenzungsfläche für die Rauchgasführung im Wärmetauscher dient.
  • Diese Verkleidung aus Wärme speicherndem Material ist auf der Gegenseite, also ihrer vom Wärmetauscher abgewandten Rückseite, dem Hauptbrennraum und/oder dem Brennstoffvorratsraum und/oder dem Nachbrennraum zugewandt und erstreckt sich insbesondere über alle drei Bereiche und damit die gesamte Höhe der Brennvorrichtung.
  • Zwischen der Verkleidung aus Wärme speicherndem Material und dem Inneren der Brennvorrichtung kann eine weitere Abdeckung aus Stahlblech vorhanden sein.
  • Die Wärme speichernde Verkleidung bewirkt in Zeiten geringer Wärmezufuhr durch die Rauchgase auf die Wärmetauscherrippen, dass die Wärmetauscherrippen durch die von dem Wärme speichernden Material dann abgegebene Strahlungswärme dennoch im Wesentlichen auf der hohen Temperatur gehalten werden.
  • Zu diesem Zweck ist die in Abstrahlrichtung von der Wärme speichernden Verkleidung in Richtung Wärmetauscherrippen betrachtete Querschnittsfläche der Wärmetauscherrippen und insbesondere deren nicht mit dem Flüssigkeitsteil in Kontakt stehenden Teile möglichst groß zu wählen, weshalb bei U-förmig gekanteten Wärmetauscherrippen diese vorzugsweise mit zum freien Ende V-förmig auseinander laufenden Schenkeln gestaltet sind.
  • Natürlich können die Wärmetauscherrippen auch aus einfachen Platten bestehen, die mit einer Schmalseite an dem Flüssigkeitsteil befestigt sind, jedoch ist dann die Kontaktfläche zum Flüssigkeitsteil sehr gering und der Wirkungsgrad des Wärmetauschers wird verringert.
  • Die V-förmig auseinander laufenden Wärmetauscherrippen weisen ferner den Vorteil auf, dass sie - sofern sich im Inneren der Wärmetauscherrippen dennoch Ablagerungen bilden sollten - diese sehr leicht mechanisch gereinigt werden können indem ein Reinigungsdeckel oberhalb des Wärmetauschers abgenommen und mithilfe einer Bürste die Wärmetauscherrippen von oben nach unten abgebürstet werden, so dass Ablagerungen nach unten in den Nach-Brennraum hineinfallen.
  • Somit ergibt sich eine sehr einfache Herstellungsweise des Wärmetauschers dadurch, dass der flüssigkeitsdurchströmte Teil des Wärmetauschers ein rechteckiger, flacher Kasten sein kann, der die Außenwand des Wärmetauschers bildet, und von dessen einer Seite aus die U-förmigen, jeweils parallel von unten nach oben - entsprechend der Strömungsrichtung der Rauchgase verlaufenden - Wärmetauscherrippen mit ihrem mittleren Schenkel angelötet oder angeschweißt sind.
  • Eine Verbindung dieser metallischen Teile des Wärmetauschers zu der im geringen Abstand gegenüber den freien Enden der Wärmetauscherrippen angeordneten Wärme speichernden Verkleidung ist weder notwendig noch sinnvoll, denn diese beiden Teile weisen sehr unterschiedliches Dehnungsverhalten auf und sollten mechanisch nicht miteinander verbunden werden.
  • Der deshalb notwendigerweise vorhandene Abstand zwischen den freien Enden der Wärmetauscherrippen einerseits und der Wärme speichernden Verkleidung andererseits soll aber möglichst gering gehalten werden, um dazwischen ein Hindurchströmen von Rauchgasen, die keinen Kontakt mit den Wärmetauscherrippen haben, möglichst gering zu halten und die Distanzverluste an Strahlungswärme von der Wärme speichernden Verkleidung auf die Wärmetauscherrippen ebenfalls möglichst gering zu halten.
    • c) Ausführungsbeispiele
  • Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1:
    eine erste Variante der Brennvorrichtung im Höhenschnitt,
    Fig. 2:
    eine zweite Variante im Höhenschnitt,
    Fig. 3:
    die Brennvorrichtung in Explosionsdarstellung und in der Aufsicht von oben,
    Fig. 4:
    den Wärmetauscher in vergrößerter Detaildarstellung im Querschnitt,
    Fig. 5:
    eine Wärmetauscherrippe in Einzeldarstellung, und
    Fig. 6:
    einen Temperaturverlauf.
  • Figur 1 a zeigt im Höhenschnitt die Prinzipdarstellung einer gattungsgemäßen Brennvorrichtung 1 gemäß dem Stand der Technik.
  • Der Abbrand des Brennmaterials, beispielsweise von Holz 10 in Scheitform, erfolgt auf einem Brennrost 2.
  • Der Abbrand erfolgt dabei nach unten durch den Rost 2, da der Primärlufteinlass 27 sich oberhalb des Brennrostes 2, z. B. wie dargestellt in der Seitenwand 11a, b befindet, und durch den Brennrost 2 nach unten in den darunter angeordneten Nachbrennraum 4 geleitet werden und von dort in das untere offene Ende des Wärmetauschers 20, der jeweils in einer Seitenwand 11a, b und/oder der Rückwand der Brennvorrichtung 1 angeordnet ist und etwa auf Niveau des unteren Endes des Nachbrennraumes 4 liegt.
  • Die Rauchgase strömen dann in den Seitenwänden 11a, b durch die Wärmetauscher 20 nach oben, und werden am oberen Auslass des Wärmetauschers 20 im Gehäuse 11 der Brennvorrichtung 1 zu einer mittigen zentralen Rauchgasabführung 5 geleitet.
  • In Figur 1 sind die Roststäbe 2a, b - die einzeln in der Aufsicht der Figur 1 b sichtbar sind - als hohle Rohre ausgebildet und geben an die Rauchgase über Austrittsöffnungen 7a, b Sekundärgas 8, in der Regel Luft, an die Rauchgase ab, um die Nachverbrennung im Nachbrennraum 4 zu verbessern.
  • Die aus Metall bestehenden Roststäbe 2a, b liegen dabei seitlich auf einer Seitenauskleidung 13 des Nachbrennraumes 4 auf, die in der Regel aus Wärme speicherndem und hitzebeständigem Material wie Schamotte oder Siliziumcarbid besteht, während der Rest des Gehäuses 11 der Brennvorrichtung aus Stahlblech besteht.
  • Die Lösung der Figur 2 unterscheidet sich von derjenigen der Figur 1 dadurch, dass die Zuführung von Sekundärgas 8 nicht durch die Roststäbe 2a, b hindurch erfolgt, sondern stattdessen im Nachbrennraum 4 unterhalb des Brennrostes 2 spezielle Düsenrohre 6 vorhanden sind, die an ihren Seitenflächen Austrittsöffnungen 7a, b für Sekundärgas 8 besitzen und - über den in Figur 2b ersichtlichen Verteilerkasten 9 - mit Sekundärgas beschickt werden.
  • Dies ist jedoch für die erfindungsgemäß im Vordergrund stehende Ausbildung des Wärmetauschers 20 weniger wichtig:
    • Der Wärmetauscher 20, der beispielsweise in den beiden Seitenwänden 11a, b des Gehäuses 11 der Brennvorrichtung 1 untergebracht ist, dient der Abfuhr der Wärme aus den Rauchgasen mittels des flüssigen Wärmeträgermediums, welches den Wärmetauscher 20 auf einer Seite durchströmt, in einen Wärmespeicherbehälter, der abseits der Brennvorrichtung 1 steht und deshalb nicht mehr dargestellt ist.
  • Figur 3a zeigt eine konkrete gattungsgemäße Brennvorrichtung 1 in Explosionsdarstellung und in Figur 3b in der Aufsicht.
  • Die Auskleidung von Haupt- und Nachbrennraum 3, 4 aus feuerfestem Material ist in diesen Darstellungen weggelassen. Es sind nur die metallenen Teile des Gehäuses 11 gezeichnet.
  • Dabei ist ersichtlich, dass die Rippen 22 des Wärmetauschers 20 in den hohlen Seitenwänden 11a, b des Gehäuses der Brennvorrichtung 1 angeordnet sind.
  • In dem oberen mittleren Deckel 11c der Brennvorrichtung ist im hinteren Bereich die zentrale Rauchgasabführung 5 zu erkennen, zu der die Rauchgase nach Hochströmen in den seitlichen Wärmetauschern 20 geleitet werden.
  • In der Rückwand 11d des Gehäuses 11 kann bei Bedarf ebenfalls ein Wärmetauscher angeordnet werden, was in der Regel jedoch nicht notwendig ist, da die Seitenwände 11a, b großflächig genug sind.
  • Die erfindungsgemäße Besonderheit des Wärmetauschers 20 ist am besten in dem horizontalen Teilschnitt der Figur 4 durch den Wärmetauscher 20 sichtbar.
  • Auf der rechten Seite des Wärmetauschers 20 ist der von der Flüssigkeit durchströmte Teil 24 des Wärmetauschers 20 zu erkennen, der beispielsweise ein aus Stahlblech geschweißter, quaderförmiger, flacher, fast plattenförmiger Kasten ist, der sich entlang der gesamten Seitenfläche der Brennvorrichtung von der Unterkante des Nachbrennraumes bis zur Oberkante des Brennstoffvorratsraumes 23 erstrecken kann.
  • An der dem Brennraum 3 bzw. 4 zugewandten Außenfläche des Flüssigkeitsteils 24, der in dieser Ansicht in der Regel lotrecht zur Zeichenebene von dem flüssigen Wärmeträgermedium durchströmt wird, welches den Flüssigkeitskreislauf 21 bildet, sind vertikal und parallel nebeneinander U-förmige Wärmetauscherrippen 22 angeordnet, indem sie mit dem verbindenden, mittleren Schenkel 22a der U-Form an dieser Außenfläche des Flüssigkeitsteils 24 befestigt, insbesondere flächig befestigt, also verlötet, verschweißt oder mit wärmeleitfähigem Kleber verklebt sind.
  • Die Wärmetauscherrippen 22 bestehen dabei in aller Regel aus Stahlblech, gegebenenfalls auch aus Kupfer oder Aluminium, und sind in der Regel gekantete Blechteile, besitzen also im einfachsten Fall einen über die gesamte Querschnittserstreckung gleich bleibende Wandstärke.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform nimmt die Wandstärke vom freien Ende der Wärmetauscherrippe 22b, c zu dem mittleren Schenkel 22a hin zu, entsprechend dem in diese Richtung zunehmenden Wärmefluss.
  • Gegenüberliegend dem Flüssigkeitsteil 24 ist - parallel dazu verlaufend und in geringem Abstand 26 zu den freien Enden der Wärmetauscherrippen 22 - eine flächige Verkleidung 25 aus einem Wärme speichernden Material wie Schamotte oder Siliziumcarbid angeordnet, so dass der Strömungsraum 28 für die Rauchgase im Wärmetauscher durch diese Verkleidung 25 einerseits und den Flüssigkeitsteil 24 andererseits begrenzt wird und an den nicht dargestellten vorderen und hinteren Stirnflächen natürlich durch entsprechende Abschottungen, meist aus Blech.
  • Am oberen und unteren Ende ist der Strömungsraum 28 für den Ein- und Austritt der Rauchgase ohnehin offen.
  • Durch diese Konstruktion ergibt sich vom einen freien Ende einer Wärmetauscherrippe 22 bis zum anderen freien Ende, also der Länge L des abgewickelten Querschnitts einer Wärmetauscherrippe, ein Temperaturverlauf, wie in Figur 6 dargestellt:
    • Im Bereich des mittleren Schenkels 22a, der im körperlichen Kontakt mit dem Flüssigkeitsteil 24 steht, wird die Temperatur TR in der Rippe nur geringfügig über der Temperatur TF, der Flüssigkeit im Flüssigkeitsteil 24 an dieser Stelle liegen, und dabei an den Seiten dieses mittleren Schenkels 2a nur geringfügig höher als im mittleren Bereich.
  • Von dort ab steigt in den frei enden Schenkeln 22b, c jedoch die Temperatur wesentlich stärker zu den freien Enden hin an, wo sie den höchsten Wert erreicht und knapp unter der Temperatur TRG der entlang strömenden Rauchgase liegen. Je weiter der entsprechende Bereich des Querschnittes der Kühlrippe 22 von dem flüssigkeitskontaktierenden mittleren Schenkel 22a entfernt ist, umso geringer ist die dadurch bewirkte Temperaturabsenkung.
  • Die absolute Höhe der Temperaturkurve gemäß Figur 6 hängt natürlich davon ab, auf welcher Höhe des Wärmetauschers 20 - also entsprechend der Fortschrittsrichtung der Rauchgase durch den Wärmetauscher 20 hindurch - sie aufgezeichnet wird, denn auch die Temperatur TRG der Rauchgase nimmt in diesem Verlauf zunehmend ab.
  • Dieser Temperaturgradient ist jedoch die Ursache dafür, dass - wenn überhaupt - dann nur im Bereich des mittleren Schenkels 22a auf der dem Rauchgas zugewandten Seite Ablagerungen in Form von Teer oder anderen Verbrennungsrückständen an den Wärmetauscherrippen 22 auftreten.
  • Für eine Ablagerung ist ein Mindest-Temperaturunterschied zwischen der Temperatur TRG der Rauchgase und der Oberflächentemperatur des Wärmetauschers notwendig.
  • Im Bereich der frei endenden Schenkel 22b, c wird dieser Mindest-Temperaturunterschied δ Tmin jedoch in der Regel nicht überschritten, sondern höchstens im Bereich des mittleren Schenkels 22a.
  • Die wenigen, sich an den Wärmetauscher- Rippen 22 bildenden Ablagerungen können darüber hinaus leicht beseitigt werden: Absatz wie Figur 3b zeigt, befindet sich oberhalb der Wärmetauscher 20 neben dem mittleren Deckel 11c jeweils ein Reinigungsdeckel 30, der abgenommen werden kann, so dass anschließend mit einer passenden Bürste die Wärmetauscher- Rippen 22 von oben her gereinigt werden können. Die sich lösenden Ablagerungen fallen entlang der Rippen 22 nach unten und liegen dann im Nachbrennraum 4, wo sie zusammen mit der übrigen dortigen Asche entsorgt werden können.
  • Figur 4 lässt ferner einen weiteren Vorteil des Wärmetauschers erkennen:
    • Das Temperaturniveau der Wärmetaucherrippen 22 wird dort nicht nur von der Temperatur der momentan hindurchströmenden Rauchgase bestimmt - die sich aufgrund Reduzierung des Abbrandes, Reduzierung der zugeführten Primär- oder Sekundärluft oder ähnlichem - ändern können. Sie wird des Weiteren auch durch die Abgabe an Strahlungswärme von der Wärme speichernden Verkleidung 25 bestimmt.
  • Diese Wärme speichernde Verkleidung 25 wird zum einen durch die entlangströmenden Rauchgase aufgeheizt, zum anderen aber auch durch die von der gegenüberliegenden Seite, also aus den Brennräumen 3. 4, auf die Wärme speichernde Verkleidung 25 einwirkende Wärme direkt.
  • Damit erfolgt eine höhere Ausnutzung der in der Brennvorrichtung 1 erzeugten Wärme durch den Wärmetauscher 20 gegenüber einer Ausnutzung lediglich der in den Rauchgasen enthaltenen Wärme.
  • Zu diesem Zweck muss die Wärme speichernde Verkleidung 25 ein ausreichendes Volumen, in der Regel also eine ausreichende Dicke, aufweisen, da sie sich ebenso wie der Flüssigkeitsteil 24 in der Regel über die gesamte Seitenfläche der Brennvorrichtung 1 erstreckt.
  • Um möglichst wenig Rauchgas ohne ausreichenden Kontakt mit den Wärmetauscherrippen 22 hochströmen zu lassen, wird der Abstand 26 zwischen den freien Enden der Wärmetauscherrippen 22 und der Verkleidung 25 möglichst gering gewählt, jedoch ist keine mechanische Verbindung zwischen diesen beiden Teilen möglich und auch nicht notwendig.
  • Figur 5 zeigt eine beispielhafte Bauform einer einzelnen Wärmetauscherrippe 22, wie sie sehr einfach in einer Biegevorrichtung aus einem einfachen Blechstreifen erzeugt werden kann, der mittig mittels einer Rundstabkontur durchgebogen wird.
  • Der mittlere Schenkel 22a der Wärmetauscherrippe ist dabei halbkreisförmig mit konvexer Krümmung nach außen gebogen und dient dem Fixieren an dem Flüssigkeitsteil 24.
  • Von diesem mittleren Schenkel aus stehen die frei endenden Schenkel 22b, c nicht parallel, sondern mit einem Zwischenwinkel von ca. 6° schräg nach außen, so dass eine insgesamt etwa U-förmige Querschnittskontur gebildet wird, die eine Gesamtauskragung vom Befestigungspunkt in der Mitte des verbindenden Schenkels 22a bis zum freien Ende von ca. 30 mm besitzt.
  • Die Wandstärke beträgt ca. 3 mm bei einem etwa 4-mal so großen Krümmungsradius des mittleren Schenkels 22a.
  • In Verlaufsrichtung der Wärmetauscherrippe 22 sind in der Mitte des verbindenden Schenkels 22a mehrere Durchgangsbohrungen 29 angeordnet, die z.B. zum Punktschweißen an dem Flüssigkeitsteil 24 verwendet werden können, was jedoch nur als Vor-Fixierung dient.
  • Anschließend wird die Rippe 22 entlang ihrer gesamten Länge durchgängig gegenüber dem Flüssigkeitsteil 24 verschweißt, um einen guten Wärmeübergang zu erzielen.
  • Bei einem Verschweißen beginnend am einen Ende der Rippe 22 wird sich durch den einseitigen Wärmeeintrag die Rippe 22 sehr stark verziehen, weshalb einerseits die beschriebene Vorfixierung notwendig ist, und weshalb andererseits in den frei endenden Schenkel 22b, c vom freien Ende her bis fast zum mittleren Schenkel 22 a reichend mehrere Dehnungs-Schlitze 31 im Abstand zueinander eingebracht sind.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 1
    Brennvorrichtung
    2
    Brennrost
    2a,b
    Rost-Stab
    3
    Hauptbrennraum
    4
    Nachbrennraum
    5
    Rauchgasabführung
    6
    Düsenrohr
    7a,b
    Austrittsöffnung
    8
    Sekundärgas
    9
    Verteilerkasten
    9a,b
    Durchbruch
    10
    Holz
    11
    Gehäuse
    11a, b
    Seitenwand
    11c
    Deckel
    11d
    Rückwand
    12,12'
    Nase
    13
    Seiten-Auskleidung
    14
    Untere Stirn-Auskleidung
    15
    Obere Stirn-Auskleidung
    16
    Tasche
    17
    Innenfläche
    18
    Ausnehmung
    19
    Zugangsöffnung
    20
    Wärmetauscher
    21
    Flüssigkeitskreislauf
    22
    Wärmetauscherrippe
    22a
    Mittlerer Schenkel
    22b, c
    frei endende Schenkel
    23
    Brennstoffvorratsraum
    24
    Flüssigkeitsteil, Flüssigkeit führender Teil
    25
    Verkleidung
    26
    Abstand zur Verkleidung
    27
    Primärlufteinlass
    28
    Strömungsraum
    29
    Durchgangsbohrung
    30
    Reinigungsdeckel
    31
    Dehnungs-Schlitz

Claims (7)

  1. Feststoff-Brennvorrichtung (1) mit einem Hauptbrennraum (3), einem Nachbrennraum (4), sowie einem Wärmetauscher (20), der von den Rauchgasen durchströmt wird zur Wärmeübertragung an einen FlüssigkeitsKreislauf (21) mit
    a) einem Brennrost (2) zum Auflegen eines festen Brennstoffes, insbesondere Holz (10),
    b) einer Rauchgas-Abführung (5) vom Hauptbrennraum (3) oberhalb des Brennrostes (2) durch den Brennrost (2) nach unten in die Nachbrennraum (4),
    c) wobei der Wärmetauscher (20) mehrere Wärmetauscherrippen (22) aufweist und die Wärme an den Flüssigkeitskreislauf (21) überträgt,
    d) die Wärmetauscherrippen (22) über weniger als 30 % ihrer Fläche in körperlichem Kontakt mit dem Flüssigkeit führenden Teil (24) des Wärmetauschers (20) stehen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    e) auf der vom Flüssigkeit führenden Teil (24) des Wärmetauschers (20) abgewandten Seite der Wärmetauscherrippen (22) und in möglichst geringem Abstand hierzu eine Verkleidung (25) aus Wärme speicherndem Material, insbesondere Schamotte oder Siliciumcarbid, zwischen Hauptbrennraum (3) und den Wärmetauscherrippen (22) angeordnet ist,
    f) die Wärmetauscherrippen (22) U-förmig gestaltet sind und mit ihrem mittleren Schenkel (22a) an dem Flüssigkeit führenden Teil (24) des Wärmetauschers (20) befestigt sind.
  2. Feststoff-Brennvorrichtung (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Wärmetauscherrippen (22), nur auf einer Seite ihres Umfanges mit dem Flüssigkeit führenden Teil des Wärmetauschers (20) in Verbindung stehen, und/oder
    die Wärmetauscherrippen (22) mit dem Flüssigkeit führenden Teil des Wärmetauschers (20) verschweisst sind.
  3. Feststoff-Brennvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Wärmetauscher (20) entlang der Seitenwände der Feststoff-Brennvorrichtung (1) angeordnet ist.
  4. Feststoff-Brennvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sich die Wärme speichernde Verkleidung (25) und/oder die Wärmetauscherrippen (22) über die gesamte Höhe des Hauptbrennraumes (3) und eines Brennstoffvorratsraumes (23) erstrecken und insbesondere auch über die Höhe des Nachbrennraumes (4), die insbesondere unter dem Hauptbrennraum (3) angeordnet ist.
  5. Feststoff-Brennvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die frei endenden Schenkel (22b,c) der Wärmetauscherrippen (22) zum freien Ende hin einen zunehmenden Abstand aufweisen.
  6. Feststoff-Brennvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Wandstärke vom freien Ende der frei endenden Schenkel (22b, c) der Wärmetauscherrippe zu dem mittleren Schenkel (22a) hin zunimmt, entsprechend dem in diese Richtung zunehmenden Wärmefluss.
  7. Feststoff-Brennvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die frei endenden Schenkel (22b, c) der U-förmigen Wärmetauscherrippen (22) zum freien Ende hin eine abnehmende Wandstärke aufweisen.
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