WO1998043019A1 - Mit einem brenner ausgerüsteter heizkessel - Google Patents

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WO1998043019A1
WO1998043019A1 PCT/CH1998/000112 CH9800112W WO9843019A1 WO 1998043019 A1 WO1998043019 A1 WO 1998043019A1 CH 9800112 W CH9800112 W CH 9800112W WO 9843019 A1 WO9843019 A1 WO 9843019A1
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flame
heat exchanger
chamber
boiler according
boiler
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PCT/CH1998/000112
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Jörg Füllemann
Heinrich Boner
Andreas Allemann
Marco Allemann
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Vth Verfahrenstechnik Für Heizung Ag
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Priority to AU66064/98A priority patent/AU6606498A/en
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Priority to DE59802337T priority patent/DE59802337D1/de
Priority to EP98907799A priority patent/EP0970327B1/de
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    • F24H1/26—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers the water mantle forming an integral body
    • F24H1/263—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers the water mantle forming an integral body with a dry-wall combustion chamber

Definitions

  • the present invention relates to a boiler or instantaneous water heater equipped with a burner, with a housing enveloping a boiler room, a jacket-shaped heat exchanger which divides the boiler room into a combustion chamber and an exhaust gas chamber and has passages for hot combustion gases distributed over the jacket surface, and one in the Combustion chamber arranged burner head.
  • Such a boiler or instantaneous water heater is disclosed in French Patent No. 93 00498. Then a series of arrangements of boilers are recorded, which have the features listed above. These boilers are designed for gas burners which have a cylindrical jacket which is closed at the end and a large number of flame openings are arranged on its jacket surface. Such a gas boiler or instantaneous water heater is very space-saving and does not require a separate boiler room.
  • the heating system should be able to be operated with a 01 or gas burner.
  • the burner head has a flame tube with an axial flame opening and a flame deflection part is arranged at a distance from the flame opening, which is designed such that the flame is deflected into the space between the flame tube and the heat exchanger.
  • An advantage of the boiler according to the invention is that it can be heated with burners which have a lance-orange flame.
  • a flame normally requires a combustion chamber which is elongated in the direction of the flame.
  • a flame deflection part arranged according to the invention enables the length of the combustion chamber to be shortened considerably.
  • the deflecting part directs the flame back to its starting point and thus shortens the boiler space to about half the length.
  • the combustion chamber is almost filled with a flame which burns out of a flame tube m in one direction and deflected at the deflection part m in the opposite direction.
  • the rear part of the flame forms an axial core flow opposed sheath flow arranged around.
  • the return of the flame to its root has the further advantage that hot gases are present immediately after the flame is lit, which can be used to improve the cold start behavior.
  • Another advantage is that by turning the flame, the combustion chamber is better used and can be made more compact than with a long, thin flame shape. In particular, the entire length of the combustion chamber is practically uniformly suitable for transferring heat to a goods exchange medium because the burner head is covered by the flame.
  • the heat exchanger advantageously has a closing element at or near at least one end, which delimits the combustion chamber in the longitudinal direction.
  • a further chamber is also formed, which exhaust gas flows out of the exhaust gas chamber.
  • This exhaust gas is now already cooled by the heat exchanger and can partially recirculate the flame tube to cool the flame and partially drain it through a comb.
  • a closure member advantageously divides an outflow chamber which can be connected to a comb from the boiler chamber.
  • Such an outflow chamber lies axially in the boiler. As a result, it absorbs the flue gas from the periphery evenly. One-sided loads on the heat exchanger can thus be avoided.
  • a closing element advantageously divides a recirculation chamber from the boiler room. Cooled exhaust gas for cooling the flame s flame tube can be recirculated through this recirculation chamber.
  • the recirculation chamber can also be the outflow chamber at the same time.
  • the exhaust gas outflow chamber or / and the recirculation chamber, which is divided off by a closing element, is advantageously encased by the heat exchanger. As a result, the exhaust gas flowing into these chambers is additionally cooled before it leaves the boiler room or performs its cooling function.
  • the exhaust gas is reduced to about 80 by contacting the heat exchanger twice Degrees cooled, even in continuous operation under full power. This allows the flue gas to be discharged directly into a plastic comb after the boiler.
  • the closure member between the combustion chamber and the exhaust gas outflow chamber advantageously has a bulge toward the exhaust gas outflow chamber hm, so that the combustion chamber can be extended and the outflow chamber does not take up an unnecessarily large amount of space.
  • a bulge expediently keeps the heat exchanger area around the exhaust gas outflow chamber large in relation to its volume.
  • the flame deflecting part advantageously forms a closing element so that the number of parts required can be reduced.
  • the arrangement of the deflection part at a distance from the housing wall also has acoustic advantages.
  • This closing element or flame deflecting part is expediently bulged toward the outflow chamber hm. In the bulge, the U is expediently directing the flame without heat exchanger elements being involved, and the entire heat exchanger surface can be used because the deflection part does not cover any passages for hot flue gas.
  • the flame deflecting part expediently has a flame plate arranged on the flame axis and opposing the flame, and an annular deflection channel around it. The flame plate divides the flame apart and the deflection channel guides the flame parts so that their flow direction is turned by 180 °.
  • the deflection channel is advantageously designed to be uniformly circumferential, so that the flame has a uniform shape even after the deflection.
  • the jacket of the heat exchanger advantageously consists of tubes lined up with a space next to one another, which are arranged around the combustion chamber and are connected to an inlet and an outlet.
  • the heat exchanger tubes are expediently wound helically.
  • Such a heat exchanger jacket is simple to manufacture a large surface and passages between the pipes.
  • pipes can have a smaller wall thickness and thus a more dynamic heat transfer, which is noticeable through higher performance with a small footprint.
  • the jacket of the heat exchanger is advantageously assembled from a plurality of heat exchanger units. The individual heat exchanger units thus have a smaller pipe length than a heat exchanger with a single pipe, which is all the longer, which means that the flow rate can be increased.
  • Heat exchanger units are therefore expediently connected in parallel to the inlet and outlet.
  • Heat exchanger units are advantageously used in accordance with the heat exchanger elements described in French Patent No. 93 00498. These are characterized, among other things, by a flat-printed pipe cross-section, which additionally increases the exchange surface compared to round cross-sections.
  • a major advantage of using these heat exchanger units is that their production is already in progress for gas water heaters and that they are therefore excellent quality products available on the market.
  • the burner is advantageously equipped for exhaust gas recirculation in order to fall below the exhaust gas values prescribed today, especially in the case of frequent cold starts.
  • the burner is advantageously an oil burner because 01 can be stored in simple tanks and these can be easily refilled. The dependence on a line network can thus be avoided.
  • the handling of 01 is also much less dangerous than the handling of gas, which, if it is not distributed through a network, has to be filled under pressure in appropriate pressure tanks.
  • the burner is advantageously switchable or switchable to gas operation. If the burner head is suitable for both 01 and gas, these two media can alternatively be used in the same system with little additional installation effort. This has the advantages that, for example, price developments can be reacted to, there is greater security against delivery bottlenecks, or the installation of a provisional oil tank can be used to wait for a planned gas supply line, etc.
  • an olduse advantageously sprays the 01 for evaporation into the exhaust gas recirculated into the flame tube and the inlet openings in the flame tube for the air or the exhaust gas are designed such that the air and the exhaust gas mix in a hollow cylindrical or hollow-cone-shaped vortex zone.
  • the oil mixed with the exhaust gas has completely evaporated before being mixed with the air. This results in very advantageous exhaust gas values and excellent starting behavior of the burner.
  • an air supply duct is expediently designed as a mixing tube for the admixture of gaseous fuel.
  • the inlet openings in the flame tube for the fuel / air mixture or the recirculated exhaust gas are advantageously designed such that the fuel / air mixture and the exhaust gas mix in a hollow cylindrical or frustoconical vortex zone. Due to these similar methods, the same flame tube can be used for both 01 and gas. Even the olduse in gas operation or the gas supply means in oil operation can remain in the system, so that there is a two-media firing system with a single burner.
  • these burners achieve exhaust gas values of less than 60 mg NO x per kW for 01 and less than 20 mg N0 X for gas. The CO values of 16 mg / kW are also at a low level. Apart from this excellent cold start behavior is achieved with this burner.
  • a cylindrical flame chamber jacket which has passages for hot flue gases, is advantageously arranged in the combustion chamber between the combustion tube or the deflected flame and the heat exchanger.
  • This flame chamber jacket ensures an even distribution of the hot smoke gases to the heat exchanger and forms an ash collector. It protects the heat exchanger from direct contact with the flame. As a result, the distance between the flame and the heat exchanger can be kept very small.
  • this flame chamber jacket has a positive effect on the noise insulation.
  • the passages are advantageously arranged in such a way that the flue gases flow out approximately tangentially from the flame chamber jacket, because they flow through the heat exchanger jacket in a common direction of rotation in an approximately tangential manner. As a result, the heat transfer is improved compared to the heat transfer with a radial flow direction.
  • the housing advantageously has the dimensions of a wall heater or cake drawer.
  • the housing with air supply line and exhaust duct can have a length of up to approx. 50 cm.
  • a short embodiment comes with a good 30 cm boiler length. This means that there is no need for a separate room for this heating. It can be stored in a closet.
  • a supply air line is advantageously arranged in counterflow around the flue gas pipe so that the air is preheated by the waste heat in the flue gas.
  • the blower is expediently arranged next to the housing and an air supply duct is led from the blower to an end face of the housing and to the burner head in order to keep the length or depth of the system as small as possible.
  • Refractory plates with a labyrinthine internal structure are advantageously arranged on the end faces of the combustion chamber. They protect the underlying metal parts, isolate the housing from the heat of the flame and dampen the burner's noise emissions.
  • An end face of the housing is expediently closed by a removable cover.
  • the burner is advantageously attached to the lid. This means that the boiler room and burner are easily accessible.
  • Appropriate housing parts and / or the heat exchanger are expediently made of austenitic stainless steel, which is resistant to the aggressive exhaust gases and condensates.
  • FIG. 1 shows four schematic arrangements of boilers
  • Fig. 2 shows an embodiment of an inventive
  • Fig. 3 shows an exemplary embodiment of a device according to the invention
  • Fig. 4 shows an embodiment according to FIG
  • FIG. 6 schematically shows the combustion process in the case of liquid fuel
  • FIG. 7 supervision of an orifice insert with cut but not yet twisted
  • Fig. 8 section through the aperture set according to Fig. 7, wherein the guide surfaces are twisted to generate swirl
  • Fig. 9 shows the gas burner head in longitudinal section and schematically the combustion process
  • FIG. 1.1 shows a schematically simplified illustration of an embodiment of a heating boiler 11 'according to the invention.
  • a housing 13 is divided by a heat exchanger 15 m, a combustion chamber 17 and an exhaust chamber 19.
  • a flame tube 23 is arranged on an end face of the combustion chamber 17 and the flame 25 strikes axially from the flame tube 23.
  • Supply air flows through a mixing tube 21 into the flame tube 23, burns the flame 25 and flows as hot combustion gas or flue gas through passages in the heat exchanger 15 into the exhaust gas chamber 19 (arrows). From there, the flue gas leaves the exhaust gas space 19 through an opening in the housing 13, which is not shown in FIG. 1.
  • FIG. 1.2 shows a variant in which, in a boiler 11 ", a closing element 27 limits the combustion chamber 17 m in length.
  • FIG. 1.3 shows a simplified variant of FIG. 1.2, in which the heat exchanger 15 does not separate the exhaust gas chamber 19 from the outflow chamber 29, but only envelops the combustion chamber 17.
  • arrows indicate how exhaust gas m is recirculated to the flame tube 23.
  • FIG. 2 shows a section through an exemplary embodiment of a boiler 11, again the heat exchanger 15, the combustion chamber 17 and the exhaust gas chamber 19.
  • the flame tube 23 is arranged, which has recirculation openings 35 and a flame opening 37.
  • the heat exchanger 15 is formed from tubes 40 with a flat cross section, which are wound helically.
  • the tubes 40 are arranged at a distance from one another, so that the exhaust gas can flow through the heat exchanger 15 in the intermediate space 41 between the tubes 40.
  • the heat exchanger 15 consists of individual elements 43 which are connected in parallel and / or in series to an inlet or outlet.
  • a deflection part 39 is arranged opposite the flame opening 37. This deflection part 39 forms a closure member 27 or is connected to a closure member 27.
  • the closure member 27 sits between two pipes 40 or between two elements 43, so that the hot exhaust gas has to flow through the intermediate spaces 41 from the combustion chamber 17 into the exhaust gas chamber 19 and from there again between the pipes 40 and the outflow chamber 29. From the outflow chamber 29, the exhaust gas can then pass through a comb or an exhaust pipe through the opening 31.
  • the deflection part 39 forms on the axis 45 of the flame tube 23 or the boiler 11 an elevation 47 which opposes the flame and divides it symmetrically.
  • the flame is deflected by the deflection channel 49 m in a direction opposite to the original flame direction and strikes back between the flame tube 23 and the heat exchanger tubes 40 against the flame root. This creates an approximately cylindrical flame body of approximately twice the flame tube diameter and the hot exhaust gases are demanded over the entire length of the combustion chamber 17 through the spaces 41 between the tubes 40, where an energy exchange takes place with the heat transfer medium flowing in the tubes 40.
  • the deflection part 39 is basin-shaped and sits with its bottom 49 near the end of the housing 13 opposite the flame tube.
  • the outer pool edge 51 is almost flush with the outer channel edge 53 of the deflection channel 49 between the heat exchanger tubes 40 and the pool wall 55 runs from it Edge 51 obliquely away from the heat exchanger tubes 40, so that none of the tubes 40 is covered by the depth claimed by the deflection part 39.
  • the space occupied by the basin-shaped deflection part 39 is at the expense of the outflow chamber 29, which is thereby reduced to a necessary minimum dimension.
  • the combustion chamber 17, on the other hand, is extended towards the outflow chamber 29 by this shape of the closure member 27. The length of the boiler room can thus be minimized.
  • a cover 57 is arranged, which is screwed to the housing 13.
  • the cover 57 has an opening 59, on the inside of which there is a baffle plate or screen 61, to which the flame tube 23 is fastened.
  • an annular disk 63 Around the flame tube 23 and at a distance from it is arranged an annular disk 63, which consists of a refractory, porous or felt-like material and thereby has an insulating effect for both heat and sound.
  • the deflecting part 39 has the same structure and thus the same effect.
  • the flame tube 23 has recirculation openings 35, through which exhaust gas from the space 65 between the heat exchanger 15 and the flame tube 23 m the flame tube is recirculated.
  • the exhaust gas surrounds a centrally let-in air stream in the flame tube 23.
  • An olduse 67 is provided for liquid fuel, which sprays the fuel through the central air flow into the exhaust jacket. The fuel evaporates in the exhaust jacket. The vaporized fuel is now together with the exhaust gas swirled in the air. The flame burns blue because all the fuel is gasified before the flame is formed.
  • the same burner head can be used for gas operation. Only the gaseous fuel is added to the air, preferably on the vacuum side in the blower.
  • the flame tube 23 becomes hot and transfers a certain amount of energy to the heat exchanger 15 by radiation. This effect is desirable, especially because blue-burning flames otherwise emit little radiant energy.
  • the exhaust gas values are very low in both operating modes: The NO x emissions are below 60 mg / kW at Olbrand and below 20 mg / kW in gas fire. The CO values are below 16 mg / kW.
  • Burners built and functioning in the manner just described are described in detail in the two European applications filed on the same day “Process and device for the combustion of liquid fuel” and “Process and device for the combustion of gaseous fuel", which are based on Swiss priority applications No. 1997 0718 / 97 or 0719/97 based.
  • FIG. 3 and 4 show a further embodiment of a boiler according to the invention.
  • Figure 3 is a longitudinal section
  • Figure 4 is a cross section of the same boiler.
  • the closure member 27 is configured, for example, as a simplified deflection part without a specific shape.
  • a flame chamber jacket 69 is arranged on the combustion chamber side of the heat exchanger 15 m of the combustion chamber 17.
  • the flame chamber jacket 69 has a cylindrical jacket Slits 71 and baffles 73, which release the hot flue gases from the inner region of the combustion chamber 17 and direct a flow rotating about the axis 45 through the spaces 41 between the tubes 40 of the heat exchanger 15 (arrows m in FIG. 4).
  • the flame now strikes between the flame tube 23 and the flame chamber jacket 69 back to the flame tube-side end face of the housing 13.
  • the flame chamber jacket deflects the exhaust gases in a spiral movement.
  • a zone without slots 71 is provided in the bottom area 75 of the flame chamber jacket.
  • any ash present can get caught on the flame room jacket 69 and collect in the bottom area 75.
  • the ashes can be easily removed from there.
  • the flame chamber jacket 69 is a protection for the heat exchanger 15. It largely protects the heat exchanger 15 against direct flame contact. Therefore, the flame chamber jacket is closed at its front end, near the end member 27 or the deflection part 39 and has no slots 71 through which the flame, which was not totally deflected, could reach the tubes 40 of the heat exchanger 15.
  • the screw turns 77 of the heat exchanger 15 are connected on both sides to a feed line 81 or a discharge line 83 with a straight connecting part 79 (FIG. 4).
  • the individual heat exchanger elements 43 consist of four turns of a tube 40 with a flat cross section and are connected in parallel to the feed line 81 and the discharge line 83. Bulges m of the tube wall (not shown) keep a distance between the tubes 40 of the turns 77.
  • FIG. 5 shows a burner head 111 for liquid fuels, with a baffle plate 113, which can be mounted on the wall of a combustion chamber 112, not shown.
  • a baffle plate 113 On the baffle plate 113, in the direction of flow, which is indicated by the arrow 114, there is a flame tube 115 with a ratio of diameter to length of approximately 1 to 2 arranged.
  • a lance or nozzle 119 is arranged centrally on the flame tube axis 117.
  • the fastening means for the nozzle 119 and the baffle plate 113 together form, for example, an aperture unit, as is described, for example, in EPA 0 650 014.
  • the nozzle head 123 sits centrally in an orifice insert 125.
  • the spray opening 121 of the nozzle 119 lies in the plane of the baffle plate 113 or the orifice insert 125.
  • the orifice insert 125 is fastened on the baffle plate 113 and covers up to an annular air opening 129 around the nozzle head 123 the opening 127 m from the baffle plate 113.
  • the annular air opening 129 takes up an area of approximately 8% of the cross-sectional area of the flame tube 115.
  • the air opening 129 is also equipped with swirl-generating guide surfaces 131. These guide surfaces 131 are aligned radially and are inclined with respect to the flame tube axis 117 and flow direction 114, so that air flowing through the air opening 129 is set in rotation about the axis 117.
  • the fins or guide surfaces 131 are made from one piece with the panel insert 125 (FIGS. 7 and 8). During their manufacture and alignment, they are cut or punched out of the panel insert plate except for a connection 132 that is approximately twice as strong as the material, and are then rotated by 60 to 88 degrees with respect to the panel assembly plane. The lengths of the deformed sheet metal edges are enlarged by round cutouts (136 m. Fig. 7) at the points of the connections to be deformed most by the twisting in order to prevent cracking.
  • the flame tube 115 is fastened to the baffle plate 113 with connecting members 133.
  • the connecting members 133 are formed in one piece with the wall 139 of the flame tube 115, protrude beyond the end of the flame tube 115 on the baffle plate side, and are inserted through slots in the baffle plate 113. Upstream of the baffle plate 113, the connecting links 133 are rotated after they have been plugged together, so that a fixed connection between baffle plate 113 and flame tube 115 is created.
  • the links 133 have a stepped, tapered silhouette.
  • the shoulders 137 m of the stairs are on the flame tube side of the baffle plate 113 and thus define the opening width of the recirculation slot 135.
  • a favorable opening width is around 1 mm.
  • the flame tube 115 has recirculation openings 139 through which the exhaust gas is sucked in by the negative pressure which arises downstream of the baffle plate 113 due to the air flow.
  • the openings 139 can also have a different number and / or a different shape.
  • the flame tube 115 has an inner diameter of approximately 80 mm and a length of approximately 160 mm.
  • the flame tube 15 is constricted at the end of the flame tube 15 facing the combustion chamber 112.
  • the constriction 141 narrows the flame outlet opening 143 compared to that
  • the edge region 145 of the flame tube 115 is turned round inwards to form the constriction 141.
  • the ignition electrodes 147 are passed through the baffle plate 13 with ceramic insulation pieces 149 near the periphery of the flame tube 115 and their ends protrude 151 m into the flame tube 115.
  • the ignition point 153 is located at a distance from the baffle plate 113 of approximately 2/5 the length of the flame tube 115.
  • the fuel is sprayed through the air flow in the shortest possible way, shown with broken lines 172.
  • the conical surface of the sprayed fuel has an angle between 60 and 90 degrees.
  • the nozzle preferably has a conical surface characteristic with 80 degrees.
  • the fuel gasifies in a region 173 of the exhaust jacket 167 and is mixed with the exhaust gas by vortices 175 in the exhaust jacket 167. Since there is no gasified fuel upstream of the gasification zone 173 that could burn, and on the short penetration path that the fuel has to travel through the air flow 169, the fuel does not start to burn, virtually all of the fuel in the gas jacket 167 is gasified and only reaches m gasified form with the air m a contact triggering a reaction.
  • Gasified fuel is thus swirled in the vertebrae 171 with the exhaust gas together with the air and only burns coolly and with low pollutants in the region of these vertebrae 171.
  • the flame begins in its root area 177 at the end of the first third of the flame tube 115.
  • the flame root is embedded in a ring between the exhaust gas jacket 167 and the air flow 169.
  • the central air flow 171 ends in the center of the flame and cools it.
  • the thickness of the jacket 167 is decreasing downstream because the exhaust gas / fuel vapor mixture mixes with the air on this route.
  • the fuel vapor is supplied to the flame over approximately two thirds of the flame tube length.
  • the flame thus has an annular and elongated root area and is fed out of the casing area 167.
  • Einschn tion 141 the jacket zone 167 is limited downstream.
  • the gas in the jacket region 167 is hindered when it flows out of the flame tube 115. This favors a swirling of the two media.
  • the emerging flame holds stably on the flame tube.
  • FIG. 9 shows the burner head 111 'for gas and the various zones during the combustion of gaseous fuel are shown schematically.
  • the burner head 111 ' essentially corresponds to the burner head 111 for liquid fuel.
  • a perforated plate 157 is arranged at a distance from the baffle plate 113.
  • the perforated plate 157 has an opening 158 through which the displacement body or the olduse 119 passes.
  • the holes are arranged around them, which cause a pressure drop to prevent the flame from striking back into the feed channel 155.
  • a fuel supply and a blower are arranged on the supply duct 155.
  • the flame begins in its root region 177 in the first third of the flame tube 115.
  • the flame root is embedded in a ring between the exhaust gas jacket 167 and the air / fuel stream 169.
  • the central stream 169 ends in the center of the Flame and cool it.
  • the thickness of the jacket 167 decreases downstream because the exhaust gas mixes with the air / fuel mixture on this route. The fuel burns calmly and low in pollutants.
  • the gas burner according to the invention functions practically independently of the shape of the furnace. It is particularly suitable for compact firing systems with short firing rooms.
  • the burner according to the invention is not only suitable for the combustion of gas.

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Abstract

Für Wandheizgeräte oder Kücheneinbauheizgeräte geeigneter, mit einem Brenner ausgerüsteter Heizkessel (11), bei welchem ein mantelförmiger Wärmetauscher (15) aus parallel und/oder in Serie geschalteten Rohrelementen (43) den Kesselraum in eine Brennkammer (17) und eine Abgaskammer (19) aufteilt. Der Wärmetauscher (15) weist über seine Mantelfläche verteilt Dürchlässe (41) für heisse Verbrennungsgase auf. Der in der Brennkammer angeordnete Brennerkopf ist für die Verbrennung von Öl geeignet und weist ein Flammrohr (23) mit einer axialen Flammöffnung (37) auf und in Abstand von der Flammöffnung (37) ist ein Flammenumlenkteil (39) angeordnet, welches so ausgebildet ist, dass die Flamme in den Raum zwischen Flammrohr (23) und Wärmetauscher (15) umgelenkt wird. Zusätzlich kann zwischen Wärmetauscher (15) und Flammrohr (23) ein Flammraummantel angeordnet sein zum Schutz des Wärmetauschers (15) vor direktem Kontakt mit der Flamme.

Description

Mit einem Brenner ausgerüsteter Heizkessel
Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mit einem Brenner ausgerüsteten Heizkessel oder Durchlauferhitzer, mit einem einen Kesselraum umhüllenden Gehäuse, einem mantelformigen W rmetauscher, welcher den Kesselraum in eine Brennkammer und eine Abgaskammer aufteilt und über die Mantelflache verteilt Durchlasse für heisse Verbrennungsgase aufweist, und einem in der Brennkammer angeordneten Brennerkopf.
Stand der Technik
Ein solcher Heizkessel oder Durchlauferhitzer ist m der französischen Patentschrift Nr. 93 00498 offenbart. Dann sind eine Reihe von Anordnungen von Heizkesseln aufgezeichnet, welche die oben angeführten Merkmale aufweisen. Diese Heizkessel sind auf Gasbrenner ausgerichtet, welche einen stirnseitig verschlossenen, zylindrischen Mantel aufweisen, auf dessen Mantelfläche verteilt eine Vielzahl von Flammoffnungen angeordnet sind. Ein solcher Gas-Heizkessel oder Durchlauferhitzer ist sehr platzsparend und benotigt keinen separaten Heizungsraum.
Schon lange besteht ein Bedürfnis nach einer derart platzsparenden Heizanlage, welche mit dem Brennstoff 01 betrieben werden kann. Denn ein Nachteil des Brennstoffs Gas ist, dass seine Vorrathaltung bedeutend aufwendiger ist, als die Vorrathaltung von 01. So ist eine Gasfeuerung entweder auf einen teuren Drucktank oder einen Anschluss an ein Verteilnetz für Gas angewiesen, wogegen 01 bereits in Tausenden von installierten Tanks problemlos und in genügender Menge vor Ort gelagert wird. Auch die Versorgung bzw. das Auffüllen des Öltanks mit 01 st wesentlich einfacher und weniger gefährlich als beim Gas.
Aufgabe der Erfindung
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Feuerungsanlage zu schaffen, welche mit einem Olbrenner betrieben werden kann, ohne dass sie deswegen grosser als eine Gasfeuerungsanlagen ist. Zudem soll die Heizanlage mit einem 01- oder Gasbrenner betrieben werden können. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, eine Feuerungsanlage zu schaffen, die sich durch sehr niedrige Abgaswerte und kleine Warmeverluste und auch einen niedrigen Gerauschpegel auszeichnet .
Beschreibung der Erfindung
Erfmdungsgemass wird dies dadurch erreicht, dass der Brennerkopf ein Flammrohr mit einer axialen Flammoffnung aufweist und m Abstand von der Flammoffnung ein Flammenumlenkteil angeordnet ist, das so ausgebildet ist, dass die Flamme m den Raum zwischen Flammrohr und Wärmetauscher umgelenkt wird.
Ein Vorteil des erfmdungsgemassen Heizkessels liegt darin, dass er mit Brennern beheizt werden kann, welche eine lanzenforange Flamme aufweisen. Eine solche Flamme benotigt normalerweise einen in Flammenrichtung langgezogenen Feuerraum. Ein erfmdungsgemass angeordnetes Flammenumlenkteil ermöglicht πedoch, die Lange des Feuerraumes wesentlich zu verkurzen. Das Umlenkteil lenkt die Flamme zurück zu ihrem Ausgangspunkt und verkürzt den Kesselraum damit auf etwa halbe Lange. Dadurch ist die Brennkammer mit einer Flamme fast ausgefüllt, welche aus einem Flammrohr hinaus m die eine Richtung und am Umlenkteil umgelenkt m die entgegengesetzte Richtung brennt. Hierbei bildet der hintere Teil der Flamme eine axiale Kernstromung herum angeordnete gegenläufige Mantelstromung. Die R ckführung der Flamme zu ihrer Wurzel hat weiter den Vorteil, dass sofort nach Entfachen der Flamme um das Flammrohr herum heisse Gase vorliegen, welche für die Verbesserung des Kaltstartverhaltens genutzt werden können. Von Vorteil ist weiter, dass durch das Wenden der Flamme der Feuerungsraum besser ausgenutzt ist und kompakter gestaltet werden kann, als bei langer, dunner Flammenform. Insbesondere ist die ganze Lange des Feuerraumes praktisch gleichmassig zur Wärmeübertragung auf ein War etauschermedium geeignet, weil der Brennkopf von der Flamme ummantelt ist.
Vorteilhaft weist der Wärmetauscher bei oder nahe wenigstens einem Ende ein Abschlussorgan auf, welches die Brennkammer der Längsrichtung begrenzt. Dadurch ist zusätzlich zur Abgaskammer um den Wärmetauscher herum auch noch eine weitere Kammer gebildet, welche Abgas aus der Abgaskammer fliesst. Dieses Abgas ist nun durch den Wärmetauscher bereits gekühlt und kann zur Kühlung der Flamme teils m das Flammrohr rezirkuliert und teils durch ein Kamm abgelassen werden. Vorteilhaft teilt ein Abschlussorgan auf seiner der Brennkammer abgewandten Seite vom Kesselraum eine mit einem Kamm verbindbare Ausstromkammer ab. Eine solche AusStromkammer liegt axial im Kessel. Dadurch nimmt sie das Rauchgas aus der Peripherie gleichmassig auf. Einseitige Belastungen des Wärmetauschers können damit vermieden werden. Vorteilhaft teilt ein Abschlussorgan vom Kesselraum eine Rezirkulationskammer ab. Durch diese Rezirkulationskammer kann gekühltes Abgas zur Kühlung der Flamme s Flammrohr rezirkuliert werden. Die Rezirkulationskammer kann gleichzeitig auch die Ausstromkammer sein. Vorteilhaft ist die durch ein Abschlussorgan abgeteilte Abgasausstromkammer oder/und die Rezirkulationskammer vom Wärmetauscher ummantelt. Dadurch wird das in diese Kammern einströmende Abgas zusätzlich gekühlt, bevor es den Heizraum verlasst, bzw. seine kühlende Aufgabe wahrnimmt. Das Abgas wird durch den zweimaligen Kontakt mit dem Wärmetauscher bis auf etwa 80 Grad abgek hlt, und dies selbst im Dauerbetrieb unter Volleistung. Dadurch kann das Rauchgas nach dem Kessel direkt in ein Kunststoffkämm abgelassen werden.
Vorteilhaft weist das Abschlussorgan zwischen Brennkammer und Abgasausstromkammer eine Ausbuchtung zur Abgasausstromkammer hm auf, damit die Brennkammer verlängert werden kann und die Ausstromkammer nicht unnötig viel Platz beansprucht. Zweckmassigerweise wird durch eine solche Ausbuchtung die Warmetauscherflache um die AbgasausStromkammer herum im Verhältnis zu deren Volumen gross gehalten.
Vorteilhaft bildet das Flammenumlenkteil ein Abschlussorgan, damit die Anzahl der benotigten Teile reduziert werden kann. Zudem hat die Anordnung des Umlenkteils mit Abstand zur Gehausewand auch akustische Vorteile. Zweckmassigerweise ist dieses Abschlussorgan oder Flammenumlenkteil zur AusStromkammer hm ausgebuchtet . In der Ausbuchtung geschieht zweckmassigerweise die U lenkung der Flamme, ohne dass dabei Warmetauscherelemente beteiligt sind, und die gesamte Warmetauscherflache kann genutzt werden, weil das Umlenkteil keine Durchlasse für heisses Rauchgas verdeckt. Zweckmassigerweise weist das Flammenumlenkteil einen auf der Flammenachse angeordneten, der Flamme entgegenstehenden Flammenteller und um diesen herum eine ringförmige Umlenkrinne auf. Der Flammenteller teilt die Flamme auseinander und die Umlenkrinne fuhrt die Flammenteile so, dass deren Stromungsrichtung um 180° gewendet wird. Die Umlenkrinne ist vorteilhaft umlaufend gleichmassig ausgestaltet, so dass die Flamme auch nach der Umlenkung eine gleichmassige Form aufweist.
Vorteilhaft besteht der Mantel des Wärmetauschers aus mit Zwischenraum nebeneinander aufgereihten Rohren, welche die Brennkammer umfangend angeordnet und an eine Zu- und eine Ableitung angeschlossen sind. Zweckmassigerweise sind die Warmetauscherrohre schraubenförmig gewickelt. Ein solcher Warmetauschermantel ist einfach der Herstellung, weist eine grosse Oberflache und Durchlasse zwischen den Rohren auf. Rohre können zusätzlich, im Vergleich zu Gussteilen, eine geringere Wandstarke und damit eine dynamischere Wärmeübertragung aufweisen, was sich durch eine höhere Leistung bei geringem Platzbedarf bemerkbar macht. Vorteilhaft ist der Mantel des Wärmetauschers aus einer Mehrzahl von Warmetauscheremheiten zusammengefugt. Die einzelnen Warmetauscheremheiten weisen dadurch gegenüber einem Wärmetauscher mit einem einzigen, dafür umso längeren Rohr, eine kleinere Rohrleitungslange auf, wodurch die Durchflussgeschwindigkeit erhöht werden kann.
Zweckmassigerweise sind die Warmetauscheremheiten deshalb parallel an die Zu- und Ableitung angeschlossen. Mit Vorteil werden Warmetauschere heiten ge ass den im franzosischen Patent Nr. 93 00498 beschriebenen Warmetauscherelementen angewendet. Diese zeichnen sich unter anderem durch einen flachgedruckten Rohrquerschnitt aus, wodurch die Austauschoberflache gegenüber runden Querschnitten zusätzlich vergrossert wird. Unter anderem besteht ein wesentlicher Vorteil bei der Verwendung dieser Warmetauscheremheiten auch darin, dass ihre Produktion bereits für Gas-Durchlauferhitzer lauft und sie deshalb ausgezeichneter Qualltat auf dem Markt käuflich vorliegen.
Vorteilhaft ist der Brenner für Abgasrezirkulation ausgerüstet, um die heute vorgeschriebenen Abgaswerte, insbesondere auch bei häufigem Kaltstart, zu unterschreiten. Wenn auch Gasbrenner im erfmdungsgemassen Kessel Verwendung finden können, so ist der Brenner doch vorteilhaft ein Olbrenner, weil 01 in einfachen Tanks bevorratet werden kann und diese einfach nachgefüllt werden können. Die Abhängigkeit von einem Leitungsnetz kann so vermieden werden. Die Handhabung von 01 ist zudem wesentlich weniger gefährlich als die Handhabung von Gas, welches, so es nicht durch ein Netz verteilt wird, unter Druck m entsprechende Drucktanks abgefüllt werden muss . Vorteilhaft ist der Brenner umstell- oder umschaltbar auf Gasbetrieb. Wenn der Brennerkopf sowohl für 01 wie für Gas geeignet ist, können diese beiden Medien alternativ, mit geringem zusatzlichem Installationsaufwand, in der gleichen Anlage genutzt werden. Dies hat die Vorteile, dass z.B. auf Preisentwicklungen reagiert werden kann, dass eine höhere Sicherheit gegenüber Lieferengpässen vorliegt oder durch Installation eines provisorischen Öltanks auf eine projektierte Erstellung einer Gaszuleitung gewartet werden kann, usw.
Vorteilhaft sprüht bei Olbetrieb des Brenners eine Olduse das 01 zum Verdampfen in in das Flammrohr rezirkuliertes Abgas und sind die Einlassoffnungen m das Flammrohr für die Luft bzw. das Abgas derart ausgebildet, dass sich die Luft und das Abgas in einer hohlzylindrischen oder hohlkegelstumpfformigen Wirbelzone vermischen. Das mit dem Abgas vermischte Öl ist dadurch vollständig verdampft, bevor es mit der Luft vermischt wird. Dadurch ergeben sich sehr vorteilhafte Abgaswerte und ein ausgezeichnetes Startverhalten des Brenners.
Zweckmassigerweise ist bei Gasbetrieb des Brenners ein Zuluftkanal als Mischrohr f r die Beimischung von gasformigem Brennstoff ausgebildet. Vorteilhaft sind die Einlassoffnungen in das Flammrohr für das Brennstoff/Luft-Gemisch bzw. das rezirkulierte Abgas derart ausgebildet, dass sich das Brennstoff/Luft-Gemisch und das Abgas in einer hohlzylindrischen oder hohlkegelstumpfformigen Wirbelzone vermischen. Durch diese ähnlichen Methoden bedingt, kann das gleiche Flammrohr sowohl für 01 wie f r Gas Verwendung finden. Es können sogar die Olduse bei Gasbetrieb, beziehungsweise die gaszuführenden Mittel bei Olbetrieb in der Anlage verbleiben, so dass eine Zweimedien-Feuerunganlage mit einem einzigen Brenner vorliegt. Zusatzlich werden mit diesen Brennern Abgaswerte von unter 60 mg NOx pro kW für 01 und unter 20 mg N0X bei Gas erreicht. Auch die CO-Werte liegen mit 16 mg/kW auf einem tiefen Niveau. Abgesehen davon wird mit diesem Brenner ein ausgezeichnetes Kaltstartverhalten erzielt.
Vorteilhaft ist in der Brennkammer zwischen Brennrohr, bzw. umgelenkter Flamme und Wärmetauscher ein zylindrischer Flammraummantel angeordnet, welcher Durchlasse für heisse Rauchgase aufweist. Dieser Flammraummantel gewährleistet eine gleichmassige Verteilung der heissen Rauchgase auf den Wärmetauscher und bildet einen Aschenfanger . Er schützt den Wärmetauscher vor direktem Kontakt mit der Flamme. Dadurch kann der Abstand zwischen Flamme und Wärmetauscher sehr klein gehalten werden. Zusätzlich wirkt sich dieser Flammraummantel positiv auf die Larmdammung aus. Vorteilhaft sind die Durchlasse so angeordnet, dass die Rauchgase etwa tangential aus dem Flammraummantel ausströmen, weil sie so m einer gemeinsamen Drehrichtung geordnet den Warmetauschermantel etwa tangential durchströmen. Dadurch ist die Wärmeübertragung gegenüber der Wärmeübertragung bei radialer Durchstromungsrichtung verbessert .
Vorteilhaft weist das Gehäuse den Einbau m ein Wandheizgerat oder Kuchenemschubgerat ermöglichende Abmessungen auf. Das Gehäuse mit Luftzuleitung und Abgaskanal kann dazu eine Lange von bis zu ca. 50 cm aufweisen. Eine kurze Ausfuhrungsform kommt mit gut 30 cm Kessellange aus. Damit kann auf einen eigenen Raum für diese Heizung verzichtet werden. Sie kann in einem Schrank untergebracht werden. Vorteilhaft ist eine Zuluftleitung im Gegenstrom um das Rauchgasrohr angeordnet, damit die Luft durch die Abwarme im Rauchgas vorgeheizt wird. Zweckmassigerweise ist das Geblase neben dem Gehäuse angeordnet und ein Zuluftkanal vom Geblase auf eine Stirnseite des Gehäuses und an den Brennkopf gefuhrt, um die Lange oder Tiefe der Anlage möglichst klein zu halten.
Vorteilhaft sind an den Stirnseiten der Brennkammer feuerfeste Platten mit labyrinthischer innerer Struktur angeordnet. Dieee schützen die darunterliegenden Metallteile, isolieren das Gehäuse gegenüber der Hitze der Flamme und dämmen die Schallemissionen des Brenners. Zweckmassigerweise ist eine Stirnseite des Gehäuses durch einen entfernbaren Deckel verschlossen. Vorteilhaft ist der Brenner am Deckel befestigt. Dadurch ist der Kesselraum und der Brenner leicht zuganglich.
Zweckmassigerweise sind wesentliche Gehauseteile und/oder der Wärmetauscher aus austenitischem Edelstahl gefertigt, welcher resistent ist gegen die aggressiven Abgase und Kondensate.
Kurze Beschreibung der Figuren
Nachfolgend werden Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 vier schematische Anordnungen von Heizkesseln,
Fig . 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemassen
Heizkessels, im Längsschnitt,
Fig . 3 ein Ausfuhrungsbeispiel eines erfindungsgemassen
Heizkessels mit Flammraummantel, im Längsschnitt,
Fig . 4 ein Ausführungsbeispiel gemass Figur 3, im
Querschnitt,
Fig . 5 den Ol-Brennerkopf im Längsschnitt,
Fig . 6 schematisch das Verbrennungsverfahren bei flussigem Brennstoff, Fig. 7 Aufsicht auf einen Blendeneinsatz mit ausgeschnittenen, jedoch noch nicht verdrehten
Führungsflächen, Fig. 8 Schnitt durch den Blendenemsatz nach Fig. 7, wobei die F hrungsflachen zur Drallerzeugung verdreht sind, Fig. 9 den Gas-Brennerkopf im Längsschnitt und schematisch das Verbrennungsverfahren bei
Verwendung von gasformigem Brennstoff. Detaillierte Beschreibung der Erfindung anhand der Ausfuhrungsbeispiele
Figur 1.1 zeigt eine schematisch vereinfachte Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemassen Heizkessels 11'. Ein Gehäuse 13 wird von einem Wärmetauscher 15 m eine Brennkammer 17 und eine Abgaskammer 19 aufgeteilt. Ein Flammrohr 23 ist auf einer Stirnseite der Brennkammer 17 angeordnet und aus dem Flammrohr 23 schlagt axial die Flamme 25. Zuluft strömt durch ein Mischrohr 21 in das Flammrohr 23, verbrennt m der Flamme 25 und strömt als heisses Verbrennungsgas oder Rauchgas durch Durchlasse im Wärmetauscher 15 in die Abgaskammer 19 (Pfeile) . Von dort verlasst das Rauchgas den Abgasraum 19 durch eine m Fig. 1 nicht dargestellte Öffnung im Gehäuse 13. Figur 1.2 zeigt eine Variante dazu, bei der m einem Heizkessel 11" ein Abschlussorgan 27 die Brennkammer 17 m der Lange begrenzt.
Der Kesselraum ist dadurch m drei Zonen gegliedert: die Brennkammer 17, die Abgaskammer 19 und eine Abgasausstromkammer 29. Die Abgase strömen nun aus der Abgaskammer 19 zuerst durch den Wärmetauscher 15 hindurch in die Abgasausstromkammer 29 und von dort durch eine Öffnung 31 in ein Kamm. Figur 1.3 zeigt eine vereinfachte Variante der Figur 1.2, bei der der Wärmetauscher 15 die Abgaskammer 19 nicht von der Ausstromkammer 29 trennt, sondern nur die Brennkammer 17 umhüllt. In Figur 1.2 und Figur 1.3 ist durch Pfeile angegeben, wie Abgas m das Flammrohr 23 rezirkuliert wird. In Figur 1.4 ist ein Kessel 11"" gezeigt, in dessen Kesselraum zusatzlich zum Abschlussorgan 27 ein Abschlussorgan 27' angeordnet ist, welches eine Rezirkulationskammer 33 abteilt, so dass rezirkulierendes Abgas von der Brennkammer 17 durch den Wärmetauscher 15 m die Abgaskammer 19 und wieder durch den Wärmetauscher 15 hindurch in die Rezirkulationskammer 33 gelangt und von dort durch Rezirkulationsoffnungen im Flammrohr 23 hindurch m dieses hineingesaugt wird. Figur 2 zeigt m einem Schnitt durch ein Ausfuhrungsbeispiel eines Kessels 11 wiederum den Wärmetauscher 15, die Brennkammer 17 und die Abgaskammer 19. In der Brennkammer 17 ist das Flammrohr 23 angeordnet, welches Rezirkulationsoffnungen 35 und eine Flammoffnung 37 aufweist. Der Wärmetauscher 15 ist aus Rohren 40 mit flachem Querschnitt gebildet, welche schraubenförmig gewickelt sind. Die Rohre 40 sind mit Abstand zueinander angeordnet, so dass im Zwischenraum 41 zwischen den Rohren 40 das Abgas den Wärmetauscher 15 durchströmen kann. Der Wärmetauscher 15 besteht aus einzelnen Elementen 43, welche parallel und/oder m Serie an eine Zu- bzw. Ableitung angeschlossen sind. Der Flammoffnung 37 gegenüber ist ein Umlenkteil 39 angeordnet. Dieses Umlenkteil 39 bildet ein Abschlussorgan 27 oder ist mit einem Abschlussorgan 27 verbunden. Das Abschlussorgan 27 sitzt zwischen zwei Rohren 40 bzw. zwischen zwei Elementen 43, so dass das heisse Abgas durch die Zwischenräume 41 von der Brennkammer 17 in die Abgaskammer 19 und von dort wieder zwischen den Rohren 40 hindurch m die Ausstromkammer 29 strömen muss. Von der Ausstromkammer 29 kann das Abgas dann durch die Öffnung 31 hindurch ein Kamm oder eine Abgasleitung hmubertreten.
Das Umlenkteil 39 bildet auf der Achse 45 des Flammrohres 23 bzw. des Kessels 11 eine Erhöhung 47, welche der Flamme entgegensteht und sie symmetrisch teilt. D e Flamme wird durch die Umlenkrinne 49 m eine der ursprünglichen Flammenrichtung entgegengesetzte Richtung umgelenkt und schlagt zwischen dem Flammrohr 23 und den Warmetauscherrohren 40 gegen die Flammenwurzel zurück. Dadurch entsteht ein etwa zylindrischer Flammenkorper von etwa doppeltem Flammrohrdurchmesser und die heissen Abgase werden über die ganze Lange der Brennkammer 17 durch die Zwischenräume 41 zwischen den Rohren 40 hindurchgefordert, wo ein Energieaustausch mit dem m den Rohren 40 fliessenden Warmetragermedium stattfindet. Das Umlenkteil 39 ist beckenformig ausgebildet und sitzt mit seinem Boden 49 nahe der dem Flammrohr gegenüberliegenden Stirnseite des Gehäuses 13. Der aussere Beckenrand 51 schliesst nahezu bundig mit dem ausseren Rinnenrand 53 der Umlenkrinne 49 zwischen den Warmetauscherrohren 40 an diese an und die Beckenwand 55 lauft vom Rand 51 schräg von den Warmetauscherrohren 40 weg, so dass keines der Rohre 40 durch die vom Umlenkteil 39 beanspruchte Tiefe abgedeckt wird. Der vom beckenfόrmigen Umlenkteil 39 beanspruchte Platz geht auf Kosten der Ausstromkammer 29, welche dadurch auf ein notwendiges Minimalmass reduziert wird. Die Brennkammer 17 wird hingegen durch diese Form des Abschlussorgans 27 gegen die Ausstromkammer 29 hin verlängert. Damit kann die Lange des Kesselraumes minimalisiert werden.
Auf der brennerkopfseitigen Stirnseite des Kessels 11 ist ein Deckel 57 angeordnet, welcher mit dem Gehäuse 13 verschraubt ist. Der Deckel 57 weist eine Öffnung 59 auf, auf deren Innenseite eine Stauscheibe oder Blende 61 sitzt, an welche das Flammrohr 23 befestigt ist. Um das Flammrohr 23 herum und mit Abstand dazu ist eine ringförmige Scheibe 63 angeordnet, welche aus einem feuerfesten, porösen oder filzartigen Material besteht und dadurch eine isolierende Wirkung hat sowohl für Warme wie für Schall. Die gleiche Struktur und damit den gleichen Effekt hat das Umlenkteil 39.
Nahe der Stauscheibe 61 weist das Flammrohr 23 Rezirkulationsoffnungen 35 auf, durch welche Abgas aus dem Raum 65 zwischen Wärmetauscher 15 und Flammrohr 23 m das Flammrohr rezirkuliert werden. Das Abgas ummantelt im Flammrohr 23 einen zentral eingelassenen Luftstrom. Dadurch ist das Flammrohr sofort nach der Zündung einer Flamme von heissem Abgas eingehüllt und wird sofort selber heiss. Für flüssigen Brennstoff ist eine Olduse 67 vorgesehen, welche den Brennstoff durch den zentralen Luftstrom hindurch in den Abgasmantel sprüht. Im Abgasmantel verdampft der Brennstoff. Der verdampfte Brennstoff wird nun zusammen mit dem Abgas mit der Luft verwirbelt. Die Flamme brennt blau, weil der gesamte Brennstoff vor der Flammenbildung vergast wird.
Für den Betrieb mit Gas kann der selbe Brennerkopf verwendet werden. Nur wird der gasformige Brennstoff, vorzugsweise auf der Unterdruckseite im Geblase der Luft beigemengt. Ein Abgasmantel, rezirkuliert durch die Rezirkulationsoffnungen 35 m Flammrohr 23, ummantelt den zentral eingelassenen Luft/Brennstoff-Strom, vermischt sich mit diesem in der Wirbelzone zwischen Mantel- und Kernstromung und die Flamme brennt in der Folge sehr ahnlich wie bei der mit vergastem flussigen Brennstoff gespeisten Flamme. Bei beiden Betriebsarten wird das Flammrohr 23 heiss und übertragt eine gewisse Menge von Energie auf den Wärmetauscher 15 durch Strahlung. Dieser Effekt ist erwünscht, insbesondere weil blau brennende Flammen sonst wenig Strahlungsenergie abgeben. Bei beiden Betriebsarten liegen die Abgaswerte sehr tief: Die NOx-Emissιonen liegen bei Olbrand unter 60 mg/kW und bei Gasbrand unter 20 mg/kW. Die CO-Werte liegen unter 16 mg/kW.
Nach der soeben beschriebenen Weise gebaute und funktionierende Brenner sind in den beiden gleichentags eingereichten Europaischen Anmeldungen "Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung von flussigem Brennstoff" und "Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung von gasformigem Brennstoff" ausfuhrlich beschrieben, welche auf den Schweizerischen Prioritatsanmeldungen Nr. 1997 0718/97 bzw. 0719/97 basieren.
Die Figuren 3 und 4 zeigen eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemassen Kessels. Figur 3 ist ein Längsschnitt, Figur 4 ein Querschnitt desselben Kessels. In diesem Kessel 11" ist das Abschlussorgan 27 beispielsweise als vereinfachtes Umlenkteil ohne eine spezifische Form ausgestaltet. Weiter ist als Hauptunterschied zum Kessel 11 der Figur 2 ein Flammraummantel 69 brennkammerseitig des Wärmetauschers 15 m der Brennkammer 17 angeordnet. Der Flammraummantel 69 weist auf seinem zylindrischen Mantel Schlitze 71 und Leitbleche 73 auf, welche die heissen Rauchgase aus dem inneren Bereich der Brennkammer 17 entlassen und einer um die Achse 45 rotierenden Strömung durch die Zwischenräume 41 zwischen den Rohren 40 des Wärmetauschers 15 leiten (Pfeile m Fig. 4). Die Flamme schlagt nun zwischen dem Flammrohr 23 und dem Flammraummantel 69 zurück zur flammrohrseitigen Stirnseite des Gehäuses 13. Der Flammraummantel lenkt die Abgase m eine spiralige Bewegung um.
Im Bodenbereich 75 des Flammraummantels ist eine Zone vorgesehen ohne Schlitze 71. Durch diese Massnahme kann allfallig vorhandene Asche am Flammraummantel 69 hangen bleiben und sich im Bodenbereich 75 sammeln. Von dort ist die Asche leicht entfernbar. Der Flammraummantel 69 ist ein Schutz für den Wärmetauscher 15. Er schützt den Wärmetauscher 15 weitgehend vor direktem Flammenkontakt. Deshalb ist der Flammraummantel an seinem vorderen Ende, nahe dem Abschlussorgan 27 oder dem Umlenkteil 39 geschlossen und weist keine Schlitze 71 auf, durch welche die nicht total umgelenkte Flamme zu den Rohren 40 des Wärmetauschers 15 gelangen konnte.
Die Schraubenwindungen 77 des Wärmetauschers 15 sind mit einem geraden Anschlussteil 79 (Fig. 4) beidseitig an eine Zuleitung 81 bzw. eine Ableitung 83 angeschlossen. Die einzelnen Warmetauscherelemente 43 bestehen aus vier Windungen eines Rohres 40 mit flachem Querschnitt und sind parallel an die Zuleitung 81 und die Ableitung 83 angeschlossen. Ausbuchtungen m der Rohrwandung (nicht eingezeichnet) halten einen Abstand zwischen den Rohren 40 der Windungen 77.
Die Figur 5 zeigt einen Brennerkopf 111 für flussige Brennstoffe, mit einer Stauscheibe 113, welche m eine nicht dargestellte Wandung eines Brennraums 112 montierbar ist. An der Stauscheibe 113 ist m Stromungsrichtung, welche durch den Pfeil 114 angezeigt ist, ein Flammrohr 115 mit einem Verhältnis von Durchmesser zu Lange von ca. 1 zu 2 angeordnet. Weiter ist zentral auf der Flammrohrachse 117 eine Lanze oder Düse 119 angeordnet. Die Befestigungsmittel für die Düse 119 und die Stauscheibe 113 bilden zusammen z.B. eine Blendeneinheit, wie sie beispielsweise in der EPA 0 650 014 beschrieben ist. Der Dusenkopf 123 sitzt zentrisch einem Blendenemsatz 125. Die Spruhoffnung 121 der Düse 119 liegt in der Ebene der Stauscheibe 113 bzw. des Blendenemsatzes 125. Der Blendenemsatz 125 ist auf der Stauscheibe 113 befestigt und deckt bis auf eine ringförmige Luftoffnung 129 um den Dusenkopf 123 herum die Öffnung 127 m der Stauscheibe 113 ab. Die ringförmige Luftoffnung 129 nimmt eine Flache von ca. 8% der Querschnittflache des Flammrohrs 115 ein.
Die Luftoffnung 129 ist ausserdem mit drallerzeugenden Leitflachen 131 ausgestattet. Diese Leitflachen 131 sind radial ausgerichtet und sind gegenüber der Flammrohrachse 117 und Stromungsrichtung 114 geneigt, so dass durch die Luftoffnung 129 stromende Luft in Rotation um die Achse 117 versetzt wird. Die Lamellen oder Leitflachen 131 sind aus einem Stuck mit dem Blendeneinsatz 125 gefertigt (Fig. 7 und 8) . Bei ihrer Herstellung und Ausrichtung werden sie bis auf eine etwa der gut doppelten Materialstarke entsprechenden Verbindung 132 aus dem Blendeneinsatzblech 134 herausgeschnitten oder gestanzt und danach gegenüber der Blendenemsatzebene um 60 bis 88 Grad verdreht. Dabei sind an den durch die Verdrehung am meisten zu verformenden Stellen der Verbindungen die Langen der sich verformenden Blechkanten durch runde Ausschnitte (136 m Fig. 7) vergrossert, um einer Rissbildung vorzubeugen.
Das Flammrohr 115 ist mit Verbindungsgliedern 133 an der Stauscheibe 113 befestigt. Die Verbindungsglieder 133 sind einstuckig mit der Wandung 139 des Flammrohres 115 gebildet, ragen über das stauscheibenseitige Ende des Flammrohres 115 hinaus und sind durch Schlitze in der Stauscheibe 113 hindurchgesteckt. Stromaufwärts der Stauscheibe 113 werden die Verbindungsglieder 133 nach dem Zusammenstecken verdreht, so dass eine feste Verbindung zwischen Stauscheibe 113 und Flammrohr 115 entsteht.
Die Verbindungsglieder 133 weisen eine abgetreppte, sich verj ngende Silhouette auf. Die Absätze 137 m der Abtreppung stehen fla mrohrseitig an der Stauscheibe 113 an und definieren so die Offnungsweite des Rezirkulationsschlitzes 135. Durch diesen Rezirkulationsschlitz 135 wird Abgas entlang der Stauscheibe 113 und dem Blendenemsatz 125 m das Flammrohr 115 gesaugt, um einer Verrussung dieses Bereiches vorzubeugen. Eine gunstige Offnungsweite liegt um ca. 1 mm. In Stauscheibennahe weist das Flammrohr 115 Rezirkulationsoffnungen 139 auf, durch die das Abgas durch den Unterdruck, der stromabwärts der Stauscheibe 113 aufgrund der Luftströmung entsteht, angesaugt wird. Im gezeigten Fall sind es deren 18 kreisrunde Rezirkulationsoffnungen 139 mit einem jeweiligen Durchmesser von ca. 6 mm. Die Offnungen 139 können aber auch m anderer Anzahl und/oder anderer Form vorliegen.
Das Flammrohr 115 weist einen inneren Durchmesser von etwa 80 mm und eine Lange von etwa 160 mm auf. Am dem Brennraum 112 zugewandten Ende des Flammrohres 15 ist dieses eingeschnürt. Die Einschnürung 141 verengt die Flammenaustrittoffnung 143 gegenüber dem
Flammrohrquerschnitt. Der Randbereich 145 des Flammrohres 115 ist zur Bildung der Einschnürung 141 rund nach innen gewendet .
Die Zundelektroden 147 sind nahe der Peripherie des Flammrohres 115 mit keramischen Isolationsstucken 149 durch die Stauscheibe 13 hmdurchgefuhrt und ragen mit ihren Enden 151 m das Flammrohr 115 hinein. Die Zundstelle 153 liegt m einem Abstand von der Stauscheibe 113 von etwa 2/5 der Lange des Flammrohres 115.
In Figur 6 sind die verschiedenen Zonen wahrend der Verbrennung schematisch dargestellt. Dadurch dass die Luft durch die Luftoffnung 129 geblasen wird entsteht stromabwärts der Stauscheibe 113 ein Unterdruck im Bereich 161. Durch diesen Unterdruck wird Abgas angesaugt, dargestellt durch die Pfeile 163 und 165. Dieses Abgas bildet einen Mantel 167 um die Kernstromung 169. Das entlang Pfeil 165 einströmende Abgas streicht der Oberflache der Stauscheibe entlang und schützt sie vor Russablagerung. Zwischen der Kernstromung 169 und dem Mantel 167 entstehen Wirbel 171, m denen die beiden Medien Luft und Abgas vermischt werden.
Der Brennstoff wird auf kürzestem Wege durch die Luftströmung hindurchgespritzt, dargestellt mit unterbrochenen Linien 172. Der Kegelmantel des versprühten Brennstoffes weist einen Winkel zwischen 60 und 90 Grad auf. Die Düse hat vorzugsweise eine Kegelmantelcharakteπstik mit 80 Grad. In einem Bereich 173 des Abgasmantels 167 vergast der Brennstoff und wird durch Wirbel 175 im Abgasmantel 167 mit dem Abgas vermengt. Da stromaufwärts der Vergasungszone 173 kein vergaster Brennstoff vorliegt, der brennen konnte, und auf dem kurzen Durchdringungsweg, den der Brennstoff durch den Luftstrom 169 hindurch zurücklegen muss, der Brennstoff nicht zu brennen beginnt, wird praktisch samtlicher Brennstoff im Gasmantel 167 vergast und gelangt erst m vergaster Form mit der Luft m einen eine Reaktion auslosenden Kontakt.
Vergaster Brennstoff wird also m den Wirbeln 171 mit dem Abgas zusammen mit der Luft verwirbelt und verbrennt erst im Bereich dieser Wirbel 171 kühl und Schadstoffarm.
Die Flamme beginnt in ihrem Wurzeibereich 177 am Ende des ersten Drittels des Flammrohrs 115. Die Flammenwurzel ist ringförmig zwischen Abgasmantel 167 und Luftstrom 169 eingebettet. Im letzten Drittel des Flammrohrs endet der zentrale Luftstrom 171 im Zentrum der Flamme und kühlt diese. Die Starke des Mantels 167 ist stromabwärts abnehmend, weil das Abgas/ Brennstoffdampf-Gemisch sich auf dieser Strecke mit der Luft vermischt. Der Brennstoffdampf wird über etwa zwei Drittel der Flammrohrlange der Flamme zugeführt. Die Flamme hat somit einen ringförmigen und langgezogenen Wurzeibereich und wird aus dem Mantelbereich 167 heraus genährt. Durch die Einschn rung 141 wird die Mantelzone 167 stromabwärts begrenzt. Das Gas im Mantelbereich 167 wird beim Ausstromen aus dem Flammrohr 115 behindert. Eine Verwirbelung der beiden Medien wird dadurch begünstigt. Die austretende Flamme hält stabil am Flammrohr.
In Figur 9 ist der Brennerkopf 111' für Gas und sind die verschiedenen Zonen während der Verbrennung von gasformigem Brennstoff schematisch dargestellt. Der Brennerkopf 111' entspricht im Wesentlichen dem Brennerkopf 111 für flüssigen Brennstoff. In Strömungsrichtung vor der Stauscheibe 113 ist jedoch mit Abstand zur Stauscheibe 113 ein Lochblech 157 angeordnet. Das Lochblech 157 weist eine Öffnung 158 auf, durch welche der Verdrangungskorper oder die Olduse 119 hindurchstosst . Darum herum sind die Locher angeordnet, welche ein Druckgefälle verursachen, um ein Zurückschlagen der Flamme in den Zufuhrkanal 155 zu verhindern. Am Zufuhrkanal 155 ist eine BrennstoffZuführung und ein Geblase angeordnet (beides nicht dargestellt) .
Dadurch dass das Luft/Brennstoff-Gemisch durch den Durchlass 129 geblasen wird entsteht stromabwärts der Stauscheibe 113 ein Unterdruck im Bereich 161. Durch diesen Unterdruck wird Abgas angesaugt, dargestellt durch die Pfeile 163 und 165. Dieses Abgas bildet einen Mantel 167 um die Kernstromung 169. Das entlang Pfeil 165 einströmende Abgas streicht der Oberfläche der Stauscheibe entlang und schützt sie vor Russablagerung. Zwischen der Kernströmung 169 und dem Mantel 167 entstehen Wirbel 171, in denen die beiden Medien Luft/Brennstoff und Abgas vermischt werden. Gasformiger Brennstoff wird also in den Wirbeln 171 mit der Luft zusammen mit dem Abgas verwirbelt und verbrennt erst im Bereich dieser Wirbel 171 kühl und schadstoffarm.
Die Flamme beginnt in ihrem Wurzelbereich 177 im ersten Drittel des Flammrohrs 115. Die Flammenwurzel ist ringförmig zwischen Abgasmantel 167 und Luft/Brennstoff-Strom 169 eingebettet. Der zentrale Strom 169 endet im Zentrum der Flamme und kühlt diese. Die Starke des Mantels 167 ist stromabwärts abnehmend, weil das Abgas sich auf dieser Strecke mit dem Luft/Brennstoff-Gemisch vermischt. Der Brennstoff brennt ruhig und schadstoffarm.
Der erfindungsgemasse Gasbrenner funktioniert praktisch unabhängig von der Form des Feuerungsraumes. Er ist insbesondere geeignet für kompakte Feuerunganlagen mit kurzen Feuerungsräumen. Der erfindungsgemasse Brenner eignet sich nicht nur für die Verbrennung von Gas. Durch Ersetzen des Verdrangungskorpers 119 durch eine Brennstoffduse f r flussigen Brennstoff mit einer Kegelmantelcharakteristik ist er insbesondere zur Verbrennung von Heizöl extraleicht, Okool oder Kerosen geeignet. Der Brenner erreicht mit flussigen Brennstoffen Abgaswerte für NOx unter 60 mg/kW.

Claims

Patentansprüche
1. Mit einem Brenner ausgerüsteter Heizkessel, mit einem einen Kesselraum umhüllenden Gehäuse, einem mantelformigen Wärmetauscher, welcher den Kesselraum m eine Brennkammer (17,112) und eine Abgaskammer (19) aufteilt und über die Mantelflache verteilt Durchlasse (41) für heisse Verbrennungsgase aufweist, und einem m der Brennkammer angeordneten Brennerkopf (111,111'), dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf ein Flammrohr (23,115) mit einer axialen Flammoffnung (37,143) aufweist und m Abstand von der Flammoffnung (37,143) ein Flammenumlenkteil (39) angeordnet ist, das so ausgebildet ist, dass die Flamme (25) m den Raum zwischen Flammrohr (23,115) und Wärmetauscher (15) umgelenkt wird.
2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (15) bei oder nahe wenigstens einem Ende ein Abschlussorgan (27) aufweist, und dass das Abschlussorgan (27) auf seiner von der Brennkammer
(17,112) abgewandten Seite vom Kesselraum eine mit einem Kamm verbindbare Rauchgasausstromkammer (29) abteilt.
3. Heizkessel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (15) bei oder nahe wenigstens einem Ende ein Abschlussorgan (27') aufweist, und dass das Abschlussorgan (27') vom Kesselraum eine Rezirkulationskammer (33) abteilt.
4. Heizkessel nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch ein Abschlussorgan (27,27') abgeteilte Kammer (29, 33) vom Wärmetauscher (15) ummantelt ist.
5. Heizkessel nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschlussorgan (27) eine Ausbuchtung zur Ausstromkammer (29) hm aufweist.
6. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Flammenumlenkteil (39) einen auf der Flammenachse (45,117) angeordneten, der Flamme (25) entgegenstehenden Flammenteiler (47) und um diesen herum eine ringförmige Umlenkrinne (49) aufweist.
7. Heizkessel nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Flammenumlenkteil (39) ein Abschlussorgan (27) bildet.
8. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (15) aus mit Zwischenraum (41) nebeneinander aufgereihten Rohren (40) besteht, welche die Brennkammer (17,112) umfangend angeordnet und an eine Zuleitung (81) und eine Ableitung (83) angeschlossen sind.
9. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmetauscherrohre (40) schraubenförmig gewickelt sind.
10. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel des Wärmetauschers (15) aus einer Mehrzahl von die Warmetauscheremheiten (43) zusammengefugt ist.
11. Heizkessel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmetauschereinheiten (43) parallel an die Zuleitung
(81) und Ableitung (83) angeschlossen sind.
12. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner zur Verbrennung von 01 und/oder Gas und für Abgasrezirkulation ausgerüstet ist, und dass der Brenner gegebenenfalls auf den Betrieb mit 01 oder Gas umstell- oder umschaltbar ist.
13. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf mit einer zentral angeordneten Brennstoffduse mit
Kegelmantelcharakteristik, einer Stauscheibe mit Luftoffnung und in Stromungsrichtung an die Stauscheibe anschliessend einem Flammrohr, welches m Stauscheibennahe Offnungen zum Einlass von Abgas m ein Unterdruckgebiet in Stromungsrichtung hinter der Stauscheibe aufweist, ausgerüstet ist, und dass die Spruhoffnung (121) der Brennstoffduse (67,123) etwa in der Ebene der Unterdruck erzeugenden Stauscheibe (61,113) liegt und die Stauscheibe (61,113) lediglich eine Öffnung aufweist, welche einen ringförmig konzentrisch um die Brennstoffduse (67,123) herum angeordneten Luftemlass
(129) bildet.
14. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit einem Geblase und einer Brennstoffzufuhrung für gasformigen Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzufuhrung für gasformigen Brennstoff m einem solchen Abstand zur Stauscheibe (61,113) im Zufuhrkanal (155) angeordnet ist, dass vor der Stauscheibe (61,113) eine praktisch homogene Durchmischung von Brennstoff und Luft gewährleistet ist, und dass die Stauscheibe (61,113) bis auf einen zentralen Durchlass (129) den Zufuhrkanal
(155) abschliesst.
15. Heizkessel nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftoffnung (129) der Stauscheibe (61,113) mit drallerzeugenden Leitflachen (131) versehen ist.
16. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennkammer (17) zwischen Flammrohr (23,115), bzw. umgelenkter Flamme (25) und Wärmetauscher (15) ein zylindrischer Flammraummantel (69) angeordnet ist, welcher Durchlässe (71) für heisse Rauchgase aufweist.
17. Heizkessel nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlässe (71) so ausgebildet sind, dass die Rauchgase etwa tangential vom Flammraummantel (69) wegströmen, wobei allenfalls der Flammraummantel (69) nahe des Abschlussorgans (27) oder des Flammenumlenkteils
(39) geschlossen ist.
18. Heizkessel nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Flammraummantel (69) in einem Bodenbereich (75) geschlossen ist.
19. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse neben dem Gehäuse (13) angeordnet ist und ein Zuluftkanal (155) vom Gebläse auf eine Stirnseite des Gehäuses (13) und an das Flammrohr (23,115) geführt ist.
20. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnseite des Gehäuses (13) mit einem Deckel (57) verschliessbar ist, an welchem der Brennerkopf (111,111') befestigt ist.
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