WO2002061347A1

WO2002061347A1 - Hausheizungsanlage

Info

Publication number: WO2002061347A1
Application number: PCT/EP2002/000948
Authority: WO
Inventors: Helmut Ucke; Dieter Reintanz
Original assignee: Innovationen Zur Verbrennungstechnik Gmbh
Priority date: 2001-01-30
Filing date: 2002-01-30
Publication date: 2002-08-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hausheizungsanlage (1) zur Beheizung von Gebäuden und zur Warmwasseraufbereitung, mit einer maximalen Leistung von 1 MW, mit einer wenigstens einen Brenner (51) aufweisenden Kesselanlage (50) und mit wenigstens einer Brennkammer (52), wobei der Brenner (51) in die Brennkammer (52) gerichtet ist. Um eine Hausheizungsanlage (1) zur Verfügung zu stellen, die einen erhöhten Wirkungsgrad bei verringerten Abgaswerten aufweist und sich im übrigen in einfacher Weise an den jeweiligen Wärmebedarf anpassen lässt, ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass eine Mehrzahl von Brennkammern (52) vorgesehen ist und dass die Innenquerschnittsfläche der einzelnen Brennkammern (52) jeweils kleiner 700 cm2 ist.

Description

"Hausheizungsanlage"

Die Erfindung betrifft eine Hausheizungsanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Hausheizungsanlagen der eingangs genannten Art sind aus der Praxis bereits seit langem bekannt. Bei den bekannten Hausheizungsanlagen ist üblicherweise ein einziger Brenner vorgesehen, der in die einzige Brennkammer gerichtet ist, die je nach Leistung einen Durchmesser von bis zu 40 cm aufweist, was einer Quer- schnittsfläche von etwa 1250 cm² entspricht. Die bekannte Hausheizungsanlage weist eine Vielzahl von Nachteilen auf. Ein wesentlicher Nachteil besteht in dem vergleichsweise schwankenden Wirkungsgrad, der sich im wesentlichen durch Witterungseinflüsse und aufgrund von Wärmeverlusten durch Abgase (sogenannter Schornsteinverlust) ergibt. Dieser Wärmeverlust ergibt sich unter ande- rem dadurch, daß der Wärmeübergang von der Flamme bzw. den Rauchgasen durch die Wandung der Brennkammer auf das Wärmeübertragungsmedium (Wasser) bei der vom Querschnitt her recht großflächigen Brennkammer zum Teil sehr schlecht ist und zwar insbesondere, wenn die Hausheizungsanlage im Teillast-Betrieb (ständiges kurzzeitiges Hochheizen) gefahren wird.

Während des Betriebes der Heizungsanlage wird die erzeugte Brennerwärme größtenteils über die Stahlungsheizflächen aufgenommen. Bei den bekannten Heizungs anlagen ist das Verhältnis von Strahlungsheizfläche zur Flammenoberfläche sehr groß, die Heizflächenbelastung ist damit sehr gering.

Grundsätzlich ist eine Verbesserung des Wärmeübergangs bei der bekannten Hausheizungsanlage zwar möglich. Dies setzt jedoch hohe Flammentemperaturen und Vollast-Betrieb der Anlage voraus. Verbunden mit hohen Flammen- temperaturen ist allerdings ein überproportionaler Anstieg der NO_x-Emissionen die Folge. Dem könnte durch Verwendung eines Brennstoffs mit verringertem Stickstoffanteil, insbesondere trifft dies für Erdgas zu, zwar entgegengewirkt werden. Allerdings ist die Beschränkung auf stickstoffarme Brennstoffe zwar eine wünschenswerte, wenngleich aber kaum machbare Primärmaßnahme. Primärmaßnahmen zur NO_x-Bildungsunterdrückung sind deshalb vor allem die feuerungstechnischen bzw. thermodynamischen Maßnahmen, die vom Beginn der Flammenzone bis zum Ende des Feuerraumes wirksam werden. Problematisch ist allerdings, daß die feuerungstechnischen Primärmaßnahmen grundsätzlich die Thermodynamik des Verbrennungsprozesses nicht fordern. Ihre Nutzung ist nur bis zu einem gewissen Punkt möglich, an dem eine deutliche Verschlech- terung des thermodynamischen Wirkungsgrades sowie Nachteile für den Kesselbetrieb einsetzen, nämlich beispielsweise schlechter Ausbrand, Ruß- und CO- Bildung, Heizflächenverschmutzung, Verschlackung, Korrosion und Brennerstörungen.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Hausheizungsanlage besteht darin, daß die Steuerungsmöglichkeiten üblicherweise sehr begrenzt und die Reaktion der Heizung auf einen geänderten Wärmebedarf relativ träge ist. Die bekannte Hausheizungsanlagen arbeitet in der Regel im "Stop and Go-Betrieb".

Bei Industrieheizungsanlagen mit einer Leistung von häufig weit mehr als 1 MW ist es bekannt, Heizkessel mit einer Mehrzahl von Brennkammern zu verwenden. Die Verwendung einer Mehrzahl der Brennkammern ist erforderlich, um die notwendige Leistung der Heizungsanlage zu gewährleisten. Die einzelnen Brennkammern haben dabei üblicherweise Durchmesser von mehr als 50 cm.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hausheizungsanlage der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die mit einem hohen Wirkungsgrad über den gesamten Lastbereich betrieben werden kann, möglichst geringe Schadstoffemissionen hat und im übrigen schnell auf Temperatur- bzw. Wärmebedarfsänderungen reagiert.

Die zuvor hergeleitete und angegebene Aufgabe ist bei einer Hausheizungsanlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß im wesentlichen durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung mit der Realisierung einer Mehrzahl von Brennkammern mit jeweils vergleichsweise kleiner Brennkammeroberfläche ergeben sich eine Reihe von zum Teil wesentlichen Vorteilen. Ein wesentlicher Vorteil vom Übergang der bekannten Emflan__unenteclιnik zur erfϊndungsgemä- ßen Vielflammentechnik mit vergleichsweise kleinen Brennkammern liegt zunächst einmal darin, daß eine Herabsetzung der Flammspitzentemperaturen er- möglicht wird, da die Flamme von der Brennkammer wesentlich dichter umgeben ist. Bei Verwendung einer Mehrzahl kleinerer Brennkammern mit gleicher bzw. auch verschiedener unterschiedlicher Innenquerschnittsflächen ist die Gesamtoberfläche aller Brennkammern zur Wärmeübertragung bei gleicher Heiz- leistung viel kleiner als bei der Einflammentechnik. Bei der Erfindung ergibt sich damit eine Reduzierung des bekannten Brennkammeroberflächenverhältnisses zur Flammenoberfläche, so daß sich eine sehr viel höhere Heizflächenbelastung als beim Stand der Technik ergibt. Aufgrund der Verringerung der Innenquer- schnittsfläche der einzelnen Brennkammern treten bei der erfindungsgemäßen Hausheizungsanlage weitaus weniger Toträume auf, die üblicherweise nur zu geringen Teilen an der Wärmeübertragung im Stahlungsbereich beteiligt sind. Der Wärmeübergang ist bei der Mehrflammentechnik damit insgesamt besser als beim Stand der Technik, was zu einer Wirkungsgraderhöhung führt. Durch mehrere kleine Flammen in jeweils kleinen Brennkammern kommt es zu einer direk- teren Wärmeübertragung im Strahlungsbereich. Die Flammenumgebung ist insgesamt kälter, so daß sich aufgrund der so erzeugten "kalten Flammen" die NO_x- Emission reduziert.

Der erhöhte Wirkungsgrad läßt sich, wie zuvor bereits ausgeführt worden ist, bei verringerten Flammspitzentemperaturen erreichen. Dies führt im Ergebnis außerdem dazu, daß weniger schädliche Abgase entstehen. Ein weiterer ganz wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die erfindungsgemäße Hausheizungsanlage eine schnelle und zügige Anpassung an geänderte Temperaturen bzw. an einen geänderten Wärmebedarf erlaubt, ohne daß hierunter der Wir- kungsgrad der Hausheizungsanlage zu sehr leidet. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung gestattet es nämlich, daß in Abhängigkeit des Wärmebedarfs einzelne Brenner zu- oder abgeschaltet werden können. Der jeweilige geforderte Wärmebedarf hängt einerseits von den Außentemperaturen, der Wärmedämmung des Hauses und der wärmeführenden Leitungen, dem Warmwasserbedarf und den zu beheizenden Räumen ab. Andererseits hängt der Wärmebedarf aber auch beispielsweise bei einem Mehrfamilienhaus davon ab, ob nur einzelne oder aber beispielsweise alle Wohnungen eines Mehrfamilienhauses beheizt oder mit Warmwasser versorgt werden. Die erfindungsgemäße Hausheizungsanlage ist mit einer Mehrzahl von kleinen Brennkammern erheblich flexibler und im übri- gen erheblich wirtschaftlicher zu betreiben als eine Hausheizungsanlage mit nur einer großen Brennkammer, da das Mehrbrennkammerprinzip den individuellen Wärmebedarf durch Zu- und Abschalten einzelner Brenner am wirtschaftlichsten abdecken kann.

Im Ergebnis stellt die Erfindung damit eine Heizungsanlage mit erhöhtem Wirkungsgrad zur Verfügung, die über den gesamten Lastbereich individuell anpaßbar und langfristig flexibel ist. Die Anlage ist dabei so konzipiert, daß auch sämtliche Veränderungen am Haus wie Wärmedämmung, Anbauten und dergleichen durch geringfügige Änderungen an der Heizungsanlage angepaßt werden können.

Wie zuvor bereits angedeutet worden ist, ist es grundsätzlich möglich, Brennkammern mit gleichen oder aber mit unterschiedlichen (Innen-)Durchmessern bzw. Querschnittsflächen zu verwenden. Die Wahl der Größe und Anzahl der Brennkammern hängt von den jeweiligen Einsatzbedingungen ab. Bevorzugt ist es aber insbesondere, bei einer Hausheizungsanlage eine Mehrzahl von Brennkammern zu verwenden, wobei einzelne Brennkammern unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen. So können beispielsweise eine bestimmte Anzahl von Brennkammern mit einem ersten Querschnitt, eine bestimmte Anzahl von Brennkammern mit einem zweiten Querschnitt und eine bestimmte Anzahl von Brennkammern mit einem dritten Querschnitt vorgesehen sein, wobei die einzelnen Querschnitte unterschiedlich sein können.

Während die maximale Querschnittsfläche in jedem Falle kleiner 700 cm² ist, liegen bevorzugte Kammerquerschnitte zwischen 3 cm² und 400 cm². Vorliegend wird darauf verzichtet, einzelne diskrete Werte in dem vorgenannten Intervall anzugeben, obwohl alle Werte in dem vorgenannten Intervall relevant sind. Zur Erreichung eines günstigen Wirkungsgrades sollte die Innenquerschnittsfläche der einzelnen Brennkammern aber nicht größer als 30 cm² sein.

Um eine optimale Flächenausnutzung der einzelnen Brennkammern zu erreichen und dabei gleichzeitig Toträume in den einzelnen Brennkammern zu vermeiden, sind die einzelnen Brennkammern vorzugsweise als Rohre ausgebildet. Die einzelnen Rohre können dabei entweder nebeneinander in einer oder mehreren Ebenen, ringförmig oder aber im Bündel in einem Heizkessel angeordnet sein. Auch eine Anordnung über die gesamte Fläche des Heizkessels ist möglich. Bevorzugt ist in jedem Falle, daß die Brennkammern im unteren Bereich des Heizkessels angeordnet sind, da sich dort das kältere Wasser befindet.

Wie zuvor bereits ausgeführt worden ist, bietet die erfindungsgemäße Ausge- staltung den Vorteil, daß einzelne Brenner wärmebedarfsabhängig zu- oder abgeschaltet werden können. Um eine automatische Zu- oder Abschaltung zu gewährleisten, ist eine entsprechende Steuereinrichtung vorgesehen. Die Steuereinrichtung kann dabei eine feste Programmierung aufweisen oder aber freiprogrammierbar sein, so daß der Betrieb der Hausheizungsanlage bedarfsweise vor Ort durch den Benutzer selbst eingestellt werden kann. Dabei versteht es sich, daß diese Steuereinrichtung mit entsprechenden Sensoren zur Erfassung der Außen-, Rauminnen- und/oder Warmwassertemperatur versehen sein sollte, um den optimalen Betriebspunkt der Hausheizungsanlage zu fahren.

Von ganz besonderem Vorteil ist es, daß der Kesselanlage wenigstens eine mindestens einen Adsorber mit einem stickstoffadsorbierenden Adsorptionsmittel aufweisenden Adsorptionseinrichrung zur Sauerstoffanreicherung der Verbrennungsluft durch Abtrennung zumindest eines Teils des Stickstoffs aus der Verbrennungsluft zugeordnet ist. Durch die Verwendung einer Adsorptionsein- richtung der vorgenannten Art läßt sich der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Hausheizungsanlage weiter steigern, da sich durch die Sauerstoffanreicherung der Verbrennungsluft eine vollständigere Verbrennung ergibt. Außerdem weist die so erzeugte Verbrennungsluft damit weniger "Ballast" auf, was die Wärmeverluste durch reduzierte Abgasmengen weiter verringert. Darüber hinaus führt die Verringerung des Stickstoffes in der Verbrennungsluft auch dazu, daß weniger Stickoxide entstehen können.

Es versteht sich allerdings, daß auch jede andere Art einer Sauerstofferzeugungsanlage statt einer Adsorptioriseinrichtung verwendet werden kann.

Bei der vorliegenden Erfindung ist weiter erkannt worden, daß die Sauerstoffanreicherung der den Brennkammern zugeführten Verbrennungsluft dem Grunde nach vorteilhaft ist, jedoch nur in einem ganz bestimmten Maße. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, daß lediglich ein Teil der der Verbrennung zugeführten Verbrennungsluft sauerstoffangereichert wird. Bevorzugt ist dabei, daß der Sauerstoffanteil der der Verbrennung zugeführten Verbrennungsluft zwi- sehen 21 % und 30 % beträgt. Auch bei diesen Sauerstoffwerten läßt sich eine erheblich verbesserte Verbrennung mit einem erhöhten Wirkungsgrad erzielen. Da lediglich ein Teil der der Verbrennung zugeführten Verbrennungsluft sauerstoffangereichert wird, also nur ein Teil der der Verbrennung zugeführten Ver- brennungsluft über die Adsorptionseinrichtung geführt werden muß, kann diese recht klein, also mit einem geringen Bauvolumen ausgeführt werden. Allerdings versteht es sich, daß es auch möglich ist, den gesamten Volumenstrom der Verbrennungsluft über die Adsorptionsanlage zu führen.

Bevorzugt wird bei der Adsoφtionseinrichtung als Adsoφtionsmittel für den Stickstoff ein Zeolith verwendet, wobei es sich im übrigen anbietet, daß dem Ad- sorber eine Verdichtungseinrichtung vorgeschaltet ist. Der erzeugte Druck der Verdichtungseinrichtung sollte dem optimalen Auslegungspunkt der Adsoφ- tionsanlage nahekommen und/oder an die verfahrenstechnischen Bedürfnisse des Verbrennungsprozesses angepaßt sein. Als Verdichtungsemrichtung kann grundsätzlich jegliche Art von Verdichter eingesetzt werden.

Weiterhin bietet es sich an, wenn zusätzlich zum Adsoφtionsmittel im Adsorber ein Trockenmittel vorgesehen ist und/oder der Adsoφtionsanlage eine Kälte- oder Lufttrocknungsanlage zugeordnet bzw. vorgeschaltet ist. Hierdurch wird der Anteil an Wasserdampf in der Verbrennungsluft verringert, was letztlich weniger Ballast bedeutet und die Zeolithe schützt.

Zudem ist es bevorzugt, daß dem Adsorber ein Ausgleichsbehälter für Luft vor- und für stickstoffreduzierte Luft nachgeschaltet ist. Der vorgeschaltete Ausgleichsbehälter kann gerade dann sinnvoll sein, wenn als Verdichter ein Kolbenverdichter verwendet wird, um Pulsationen zu vermeiden. Dieser Ausgleichsbehälter dient dann als Dämpfungseinrichtung. Der nachgeschaltete Ausgleichsbehälter dient als Puffer, so daß auch in solchen Betriebszuständen, bei denen über den Adsorber nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung gestellt werden kann, stets ein hinreichender Anteil sauerstoffangereicherter Verbrennungsluft zur Verfügung steht.

Bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, daß der zuvor beschriebene Ver- dichter mit einem Druckschalter im Ausgleichsbehälter zusammenwirkt, so daß bei Erreichen eines bestimmten Druckes im Ausgleichsbehälter der Verdichter abgestellt bzw. im Leerlauf weiter betrieben oder aber zugeschaltet wird. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die Adsoφtionsleistung der Wärmeleistung der Hausheizungsanlage anzupassen. Hier ist dann eine direkte Abhängigkeit von der Verbrennung bzw. vom Sauerstoff- Verbrauch vorgesehen, was über eine Dreh- zahlregelung des Verdichters geschehen kann, während die zuvor beschriebene Aus_führungsform unabhängig von der Verbrennung und damit vom Sauerstoff- Verbrauch ist, wobei allerdings vorgesehen sein muß, daß jederzeit der benötigte Sauerstoff zur Verfügung steht.

Weiter ist bevorzugt, wenn nach Abschaltung der Adsoφtionseinrichtung die den Ausgleichsbehältern vor- und nachgeschalteten Ventile geschlossen werden, um den Überdruck im jeweiligen Ausgleichsbehälter zu halten.

Da ein Adsorber nicht unendlich lang bei gleicher Adsoφtionsleistung betrieben werden kann, ist am Adsorber eine Stickstoff- Ablaßleitung vorgesehen, über die der adsorbierte Stickstoff über Druckentlastung abgeführt wird. Durch Schließen der Zu- und Abfuhrleitung am Adsorber und Öffnen der Stickstoff- Ablaßleitung kommt es über Druckentlastung zur Desoφtion. Der adsorbierte Stickstoff wird abgeführt, so daß der Adsorber sich regeneriert und anschließend wieder zur Ad- soφtion eingesetzt werden kann.

Um einen Dauerbetrieb der Adsoφtionseinrichtung bei gleichbleibender Adsoφtionsleistung gewährleisten zu können, sind wenigstens zwei parallel geschaltete Adsorber vorgesehen. Zwischen diesen Adsorbern kann dann re- gelmäßig umgeschaltet werden. Zur Umschaltung dient eine Steuereinrichtung, die den Adsorbern vor- und nachgeschaltete Steuerventile entsprechend ansteuert. Bevorzugt ist es dabei, einen Adsorber mindestens 20 Sekunden zur Adsoφ- tion zu betreiben. Bevorzugt dauert die Adsoφtionsphase eines Adsorbers etwa eine Minute, bevor auf den anderen Adsorber umgeschaltet wird. Dabei bietet es sich besonders an, wenn die Adsorber für einen kurzen Zeitraum gleichzeitig betrieben werden, so daß zunächst beide Adsorber mit gleichem Innendruck parallel laufen und so in jedem Falle eine kontinuierliche Zuführung von sauerstoffangereicherter Verbrennungsluft zum Ausgleichsbehälter, sofern ein solcher vorgesehen ist, gewährleistet ist. Im übrigen ist, wie zuvor bereits ausgeführt worden ist, beim Betrieb von wenigstens zwei parallel geschalteten Adsorbern vorgesehen, daß nach dem Umschalten von dem einen Adsorber auf den anderen Adsorber der eine Adsorber geöffnet, der Überdruck also abgelassen wird, so daß der adsorbierte Stickstoff desor- biert. In diesem Zusammenhang bietet es sich besonders an, das Öffnen des Ad- sorbers nicht nur kurzzeitig vorzunehmen, sondern annähernd die hierfür zur Verfügung stehende Zeit zu nutzen, um den adsorbierten Stickstoff möglichst vollständig wieder auszutreiben. Zwar desorbiert beim Ablassen des Druckes des einen Adsorbers ein Großteil des Stickstoffes unverzüglich aus dem Adsoφti- onsmittel, die Desoφtion setzt sich allerdings auch im drucklosen Zustand noch fort.

Außerdem kann auch vorgesehen sein, daß über entsprechende Leitungen eine Spülung der Adsorber während der jeweiligen Desoφtionsphase durchgeführt wird. Die Spülung kann mit "normaler" Verbrennungsluft, also aus der Umgebung angesaugter, nicht-sauerstoffangereichterter Luft, mit Abgasen aus dem Verbrennungsprozeß, aber auch mit sauerstoffangereicherter Verbrennungsluft aus dem Ausgleichsbehälter oder durch im Kreislauf geführte sauerstoffangereicherte Verbrennungsluft durchgeführt werden. Vorteilhaft ist eine Durchspülung der Adsorber, also eine Spülung zum Ausblasen des Stickstoffes, um ein vollständigeres Desorbieren in entgegengesetzter Richtung zur Durchströmungsrichtung beim Adsorbieren zu erreichen.

Die Steuerung der erfindungsgemäßen Adsoφtionseinrichtung erfolgt vorzugs- weise über eine entsprechende Einrichtung. Bei einer einfachen Ausgestaltung erfolgt die Steuerung über 3 -Wege- Ventile und diese ansteuernde Relais. Bei den vorgenannten Bauteilen handelt es sich um gängige Komponenten, so daß ein einfacher und kostengünstiger Aufbau ohne weiteres gewährleistet ist. In jedem Falle läßt sich über die vorgenannte Steuerung in einfacher Weise die Zudosie- rang der sauerstoffangereicherten Verbrennungsluft erreichen.

Weiterhin ist es von Vorteil, daß der Sauerstoffgehalt der Verbrennungsluft nach der Adsoφtion des Stickstoffs gemessen und in Abhängigkeit von der jeweiligen

Betriebssiruation der Hausheizungsanlage geregelt oder gesteuert wird. Auch dies erfolgt über die vorgenannte oder eine weitere Steuereinrichtung. Durch die Messung und die anschließende Regelung bzw. Steuerung läßt sich die Verbrennung der Hausheizungsanlage optimieren.

Die Adsorber können jeweils zylindrisch oder säulenförmig und im Hinblick auf die äußeren Abmaße baugleich sind. Der Ausgleichsbehälter hat ein um den Faktor 2 bis 10 größeres Volumen als jeder der Adsorber.

Das bzw. die Gehäuse des Adsorbers und/oder des Ausgleichsbehälters können aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung bestehen. Es können aber auch andere metallische oder keramische Materialien eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist beispielsweise ein Schichtmaterial, bestehend aus einem Metall, insbesondere Aluminium oder Stahl, in Verbindung mit Kunststoff. Dieses Schichtmaterial hat den Vorteil, daß es einerseits sehr leicht ist, andererseits aber aufgrund der metallischen Schicht diffusionsdicht ist.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Hausheizungsanlage,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Teils einer erfindungsgemäßen

Hausheizungsanlage,

Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines Teils einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hausheizungsanlage,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer erfϊndungsgemäßen Ad- soφtionseinrichtung zur Sauerstoffanreicherung eines Teils der

Verbrennungsluft für eine Hausheizungsanlage,

Fig. 5 eine der Fig. 4 entsprechende Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Adsoφtionseinrichtung,

Fig. 6 eine der Fig. 4 entsprechende Darstellung einer anderen Ausfüh- rungsform einer erfindungsgemäßen Adsoφtionseinrichtung und Fig. 4 eine der Fig. 4 im wesentlichen entsprechende Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Adsoφtionseinrichtung.

In Fig. 1 ist schematisch eine Hausheizungsanlage 1 dargestellt, die gegenüber einer Industrieheizungsanlage eine erheblich geringere Heizleistung hat. Die

Hausheizungsanlage 1 weist eine Kesselanlage 50 mit wenigstens einem Brenner

51 auf. Des weiteren weist die Hausheizungsanlage 1 wenigstens eine Brennkammer 52 auf, in die der Brenner 51 gerichtet ist.

Wesentlich ist nun, daß nicht nur eine einzige Brennkammer 52 sondern eine Mehrzahl von Brennkammern 52 vorgesehen ist und daß der Durchmesser der einzelnen Brennkammer 52 jeweils kleiner 30 cm ist. Damit ergibt sich eine In- nenquerschnittsfläche jeder Brennkammer von kleiner 706 cm². Eine besonders hohe Heizflächenbelastung und ein günstiger Wirkungsgrad ergibt sich dann, wenn die Innenquerschnittsfläche jeder Brennkammer 52 nicht größer als 200 cm², vorzugsweise nicht größer als 30 cm² ist. Mit der Angabe "nicht größer als 200 cm²" ist jeder einzelne Wert gemeint, der kleiner ist als 200 cm², also 199 cm², 198 cm² ... bis in den einstelligen Flächenbereich von bis zu 3 cm².

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind in durchgezogenen Linien sechs Brennkammern 52 vorgesehen, während bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform zehn Brennkammern 52 vorgesehen sind. Es ist allerdings darauf hinzuweisen, daß die erfindungsgemäße Ausgestaltung weder auf sechs noch auf zehn Brennkammern 52 beschränkt ist. Es kann jede beliebige Anzahl von Brennkammern 52 verwendet werden. Die Anzahl der Brennkammern 52 hängt vom Wärmebedarf bzw. der zu erbringenden Heizleistung der Hausheizungsanlage 1 ab. Im übrigen versteht es sich, daß die Kesselanlage 50 eine der Anzahl der Brennkammern 52 entsprechende Anzahl von Brennern 51 aufweist, also jeder Brennkammer 52 ein Brenner 51 zugeordnet ist. Wie sich im übrigen insbe- sondere aus den Fig. 2 und 3 ergibt, sind die einzelnen Brennkammern 52 rohr- formig ausgebildet und untereinander gleich. Vorliegend hat jede Brennkammer

52 einen Durchmesser von 5 cm.

Nicht dargestellt ist, daß die Brennkammern 52 auch unterschiedlichen Größen bzw. Querschnitte haben können. In der einfachsten Ausgestaltung ist eine

Brennkammer mit einer ersten Innenquerschnittsfläche und eine zweite Brenn- kammer mit einer davon abweichenden, d. h. größeren oder kleineren zweiten Innenquerschnittsfläche vorgesehen. Es können aber auch eine Mehrzahl von Brennkammern jeweils mit der ersten Innenquerschnittsfläche und nur eine oder eine Mehrzahl von Brennkammern mit der zweiten Innenquerschnittsfläche vor- gesehen sein. Des weiteren können weitere Brennkammern mit weiteren Querschnittsflächen vorgesehen sein, die von den Querschnittsflächen der beiden vorgenannten Brennkammern abweichen. Im Ergebnis bietet die Erfindung damit die Möglichkeit, sogenannte Grund-, ggfs. Mittel- und Spitzenlastbrenner jeweils mit unterschiedlichen Brennkammergrößen mit unterschiedlichen Wärmelei- stungen vorzusehen.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind die einzelnen Brennkammern 52 nebeneinander in Ebenen in einem Heizkessel 53 angeordnet. Hierbei sind in der untersten Ebene, wie zuvor ausgeführt, sechs Brennkammern 52 vorgesehen, während in der darüberliegenden Ebene fünf weitere, gestrichelt angedeutete Brennkammern 52 vorgesehen sind. Dabei ist im übrigen vorgesehen, daß die Brennkammern 52 lediglich im unteren Bereich des Heizkessels 53 angeordnet sind. Demgegenüber sind die Brennkammern 52 bei der in Fig. 3 dargestellten Ausfuhrungsform ringförmig im Heizkessel 53 angeordnet. Es versteht sich, daß auch jede andere beliebige Anordnung der Brennkammern 52 innerhalb des Heizkessels 53 möglich ist. Auch die Form des Heizkessels 53 ist nicht auf die dargestellte Form beschränkt.

Nicht dargestellt ist, daß der Hausheizungsanlage 1 eine Steuereinrichtung gege- benenfalls mit zugehörigen Sensoren zugeordnet ist, die wärmebedarfsabhängig einzelne Brenner 52 automatisch zu- oder abschaltet. Über die Sensoren werden bedarfsweise die Außen-, die Rauminnen- und die Warmwassertemperatur erfaßt.

Im einzelnen nicht dargestellt ist, daß sich im Heizkessel 53 außerhalb der einzelnen Brennkammern 52 Wasser als Wärmeübertragungsmedium befindet. Auch die Zu- und Abläufe des Wassers vom Heizkessel 53 sind nicht dargestellt, genauso wenig wie der konkrete Verlauf der in Rauchgaszüge übergehenden Brennkammern 52. In jedem Falle ist es aber so, daß die bei der Verbrennung in den Brennkammern 52 entstehenden Rauchgase einem Rauchgassammeikanal 54 zugeführt werden, in den die Brennkammern 52 jeweils münden und der seiner- seits der in einen Kamin 55 übergeht. Zwischen dem Rauchgassammelkanal 54 und dem Kamin 55 befindet sich eine Regelabsperrklappe 56.

Der Hausheizungsanlage 1 zugeordnet ist eine Adsoφtionseinrichtung 2. Die Adsoφtionseinrichtung 2 weist wenigstens einen Adsorber mit einem stickstoffadsorbierenden Adsoφtionsmittel auf. Die Adsoφtionseinrichtung 2 dient damit zur Sauerstoffanreicherung der Verbrennungsluft durch Abtrennung zumindest eines Teils des Stickstoffs aus der Verbrennungsluft. Aufgrund der Mehrzahl von Brennern 51 ist die Adsoφtionseinrichtung 2 mit einem Verteiler 57 gekoppelt, über den sauerstoffangereicherte Verbrennungsluft den einzelnen Brenner 51 zugeführt wird.

In Fig. 4 ist die Adsoφtionseinrichtung 2 näher dargestellt. Die Hausheizungsanlage 1 selbst ist lediglich schematisch dargestellt.

Wesentlich ist nun zunächst, daß die Adsoφtionseinrichtung 2 zur Abtrennung zumindest eines Teils des Stickstoffs aus der Verbrennungsluft vorgesehen ist. Hierzu weist die Adsoφtionseinrichtung 2 vorliegend zwei Adsorber 3, 4 auf. Es versteht sich, daß grundsätzlich auch eine Mehrzahl von in Reihe und/oder par- allel geschalteten Adsorbern vorgesehen sein kann. Jeder der Adsorber 3, 4 enthält ein stickstoffadsorbierendes Adsoφtionsmittel. Hierbei handelt es sich jeweils um ein Zeolith. Es versteht sich, daß grundsätzlich auch andere Adsoφtionsmittel Anwendung finden können.

Neben dem Zeolith als Adsoφtionsmittel für Stickstoff ist in jedem Adsorber 3, 4 zusätzlich noch ein Trockenmittel für Wasserdampf vorgesehen. Das Trok- kenmittel stellt in Durchströmungsrichtung zur Adsoφtion die erste Schüttung im Adsorber dar. Die beiden Adsorber 3, 4 sind parallel geschaltet. Den Adsorbern 3, 4 vorgeschaltet ist jeweils ein Steuerventil 5, 6. Im übrigen sind den Ad- sorbern 3, 4 entsprechende Steuerventile 7, 8 nachgeschaltet.

Weiterhin ist den Adsorbern 3, 4 eine Verdichtungseinrichtung 9 vorgeschaltet. In der Verdichtungsemrichtung 9 wird die der Adsoφtionseinrichtung 2 zugeführte Verbrennungsluft verdichtet. Aus der Verdichmngseinrichtung 9 führt ei- ne Leitung 10, in der sich ebenfalls ein Steuerventil 11 befindet. Die Leitung 10 verzweigt sich in die Zuführleitungen 12, 13 zu den Adsorbern 3, 4, in denen die Steuerventile 5, 6 vorgesehen sind. Von den Zuführleitungen 12, 13 ist jeweils eine Abführleitung 14, 15 abgezweigt, wobei in jeder Abführleitung 14, 15 ein Steuerventil 16, 17 vorgesehen ist. Die Abführleitungen 14, 15 führen schließlich in eine gemeinsame Ablaßleitung 18. Ausgangsseitig schließen sich an die Ad- sorber 3, 4 Abführleitungen 19, 20 an, in denen sich die Steuerventile 7, 8 befinden. Die Abführleitungen 19, 20 führen über eine gemeinsame Abfuhrleitung 21 in einen den Adsorbern 3, 4 nachgeschalteten Ausgleichsbehälter 22, der als Puffer für sauerstoffangereicherte Verbrennungsluft dient.

An den Ausgleichsbehälter 22 schließt sich eine Abführleitung 23 an, in der sich ebenfalls ein Steuerventil 24 befindet. In die Abführleitung 23 mündet im übrigen eine die Adsoφtionseinrichtung 1 überbrückende Bypaßleirung 25, in der sich ebenfalls ein Steuerventil 26 befindet. Vorliegend ist die Bypaßleirung 25 mit der Verdichtungseimichtung 9 verbunden. Dies kann, muß aber nicht der Fall sein. Die Leitung 23 führt zur Brenneinrichtung 50.

Des weiteren weist die Adsoφtionseimichtung 2 eine Steuereinrichtung 27 auf, die unter anderem zur Umschaltung der Adsorber 3, 4 dient, so daß die Adsorber im Wechsel betrieben werden können. Die Steuereinrichtung 27 steuert hierzu die zuvor genannten Steuerventile an, wie dies nachfolgend im einzelnen beschrieben wird.

Die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 4 dargestellten dadurch, daß statt der Bypaßleirung 25 die Leitung 10 durchgehend ist, die Abführleitung 23 also in die Leitung 10 mündet. Bei der Ver- dichrungseinrichtung 9 handelt es sich vorliegend um einen Kolbenverdichter.

Die in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ausführangsform dadurch, daß die Steuerventile 5, 6 und 16, 17 durch zwei 3-Wege- Ventile 28, 29 ersetzt worden sind, die relaisgesteuert sind. Des weiteren sind die Steuerventile 7, 8 durch Rückschlagventile 30, 31 ersetzt worden. Bei dieser Ausführungsform handelt es sich um eine sehr einfache und kostengünstige Ausgestaltung. Schließlich darf darauf hingewiesen, daß eine Überwachungseimichtung zur Überwachung eines zündfähigen Gemisches im Gesamtsystem nach Abschalten des Systems vorgesehen sein kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der der Hausheizungsanlage 1 zugeordneten Adsoφtionseinrichtung 2 läuft nun unter Bezugnahme auf Fig. 4 derart ab, daß zunächst Luft von der Verdichtungseinrichtung 9 angesaugt wird. Die Steuerung der Hausheizungsanlage 1 ist dabei im übrigen bei einer bevorzugten Ausführungsform derart ausgelegt, daß zunächst die Ver- dichtungseinrichtung 9 startet, bevor die Zündung des Gemisches aus Brennstoff und Verbrennungsluft in den einzelnen Brennkammern 52 erfolgt. Hierdurch ist sichergestellt, daß schon zu Beginn des Verbrennungsprozesses den einzelnen Brennkammern 52 sauerstoffangereicherte Verbrennungsluft zugeführt werden kann. In der Verdichtungseinrichtung 9 wird die Verbrennungsluft dann auf ei- nen für den optimalen Betrieb der Zeolithe erforderlichen Überdruck verdichtet. Zumindest ein Teil der Verbrennungsluft wird über die Leitung 10 und das geöffnete Steuerventil 11 dem Adsorber 3 zugeführt. Das Steuerventil 5 ist in diesem Falle geöffnet, das Steuerventil 6 ist hingegen geschlossen. Im übrigen sind auch die Steuerventile 16 und 20 geschlossen. Das Steuerventil 17 ist hingegen geöffnet.

Die verdichtete Verbrennungsluft strömt nun durch den Adsorber 3, und zwar zunächst durch das Trockenmittel und anschließend durch das Stickstoff adsorbierende Zeolith. Durch die Adsoφtion des Stickstoffes ergibt sich eine Sauer- Stoffanreicherung der Verbrennungsluft, die dann über die Leitung 19 und das geöffnete Steuerventil 7 den Adsorber 3 wieder verläßt und anschließend über die Abfuhrleitung 21 dem Ausgleichsbehälter 22 zugeführt wird. Die sauerstoffangereicherte Verbrennungsluft aus dem Ausgleichsbehälter 22 strömt über die Abführleitung 23 und das geöffnete Steuerventil 24 in Richtung der Haushei- zungsanlage 1. Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang im übrigen, daß die sauerstoffangereicherte Verbrennungsluft noch immer unter einem Überdruck steht und in diesem Zustand den Brennkammern 52 zugeführt wird. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Bildung des Gemisches aus Brennstoff und sauerstoffangereicherter Verbrennungsluft vor Eintritt in die jeweiligen Brennkammern 52 oder innerhalb der Brennkammern 52 stattfindet. Um einen dauerhaften Betrieb der Adsoφtionseinrichtung 2 zu gewährleisten, wird in regelmäßigen Abständen je nach Sättigung des im Betrieb befindlichen Adsorbers zwischen den Adsorbern 3, 4 umgeschaltet. Nachdem zuvor der eine Adsorber 3 zur Adsoφtion durchströmt worden ist, werden bei geöffneten Steu- erventilen 5, 7 die Steuerventile 6, 8 geöffnet, nachdem zuvor das Steuerventil 17 geschlossen worden ist. Die über die Verdichtungseinrichtung 9 komprimierte Verbrennungsluft strömt dann kurzzeitig durch beide Adsorber 3, 4, um Drack- schwankungen in der Sauerstofferzeugung weitgehend zu vermeiden. Anschließend werden die Steuerventile 5, 7 geschlossen, so daß die komprimierte Verbrennungsluft nur noch durch den Adsorber 4 strömt und, in gleicher Weise wie zuvor beschrieben, dem Ausgleichsbehälter 22 zugeführt wird. Mit Schließen der Steuerventile 5, 7 wird das Steuerventil 16 geöffnet. Durch Öffnen des Steuerventils 16 findet ein Druckabbau im Adsorber 3 und eine gleichzeitige De- soφtion des Stickstoffes im Adsorber 3 statt. Die im Adsorber 3 befindliche Verbrennungsluft, die dann sehr stark mit Stickstoff angereichert ist, strömt über die Abflußleitung 18 ab. Das Steuerventil 16 bleibt so lange geöffnet, wie die Steuerventile 5, 7 geschlossen sind, der Adsorber 3 sich also nicht in der Ad- soφtionsphase befindet. Hierdurch kann der Stickstoff aus dem Adsoφtionsmittel im Adsorber 3 im wesentlichen vollständig desorbieren. Gegen Ende des Adsoφtionsvorganges im Adsorber 4 wird dann das Steuerventil 16 wieder geschlossen und anschließend werden die Steuerventile 5, 7 geöffnet. Nach einer kurzen Zeitdauer werden die Steuerventile 6, 8 wieder geschlossen, so daß anschließend das Steuerventil 17 wieder geöffnet wird, um die Desoφtion des Stickstoffs aus dem Adsoφtionsmittel im Adsorber 4 zu ermöglichen. Die Ab- führung des Stickstoffs erfolgt vorzugsweise über den Kamin.

Nicht dargestellt ist, daß der Sauerstoffgehalt der Verbrennungsluft nach der Adsoφtion gemessen und in Abhängigkeit von der Betriebssituation der Hausheizungsanlage geregelt oder gesteuert werden kann. Hierzu kann bedarfsweise über die Steuerventile 24, 26 ein mehr oder minder größerer Anteil von sauerstoffangereicherter Verbrennungsluft oder nicht-sauerstoffangereicherter Verbrennungsluft den Brennkammern 52 zugeführt werden. Die Steuerventile 24, 26 lassen also eine Mengenverstellung zu. Die Einstellung der Menge bzw. des Verhältnisses von sauerstoffangereicherter und nicht-sauerstoffangereicherter Verbrennungsluft erfolgt über die Steuereinrichtung 27. Im übrigen wird auch automatisch in Abhängigkeit des jeweiligen Wärmebedarfs gesteuert, welche und wie viele Brenner betrieben werden. Dies kann bedarfsweise vom jeweiligen Benutzer selbst eingestellt bzw. programmiert werden.

Wird die Hausheizungsanlage 1 abgestellt, so werden die Ventile 7, 8 und 24 ge- schlössen, so daß sich der im Ausgleichsbehälter 22 vorhandene Druck hält bzw. nicht abfallt. Der zuvor beschriebene Verfahrensablauf gilt im übrigen in gleicher Weise für die in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsformen.

In Fig. 7 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der den Brennkammern 52 über eine Leitung 41 nicht-sauerstoffangereicherte Verbrennungsluft zugeführt wird, während über die Leitung 23 bzw. Zuführung, die von der Leitung 41 unabhängig ist, sauerstoffangereicherte Verbrennungsluft zugeführt wird. Auf diese Weise ist es möglich, an ganz bestimmten Stellen gezielt in den Brennkammern Sauerstoff zuzugeben, um eine verbesserte Verbrennung gewährleisten zu kön- nen. In diesem Fall wird über die Leitung 41 nicht sauerstoffangereicherte Verbrennungsluft den einzelnen Brennern 51 über den Verteiler 57 zugeführt. Unabhängig davon kann über die Leitung 23 nach entsprechender Verzweigung über einen nicht dargestellten Verteiler den einzelnen Brennkammern 52 sauerstoffangereicherte Verbrennungsluft an ganz bestimmten Stellen gezielt zuge- führt werden.

Im übrigen versteht es sich, daß alle dargestellten Ausführungsformen grundsätzlich auch miteinander kombinierbar sind.

Claims

Patentansprüche:

1. Hausheizungsanlage (1) zur Beheizung von Gebäuden und zur Warmwasseraufbereitung, mit einer maximalen Leistung von 1 MW, mit einer wenigstens einen Brenner (51) aufweisenden Kesselanlage (50) und mit wenigstens einer Brennkammer (52), wobei der Brenner (51) in die Brennkammer (52) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Brennkammern (52) vorgesehen ist und daß die Innenquerschnittsfläche der einzelnen Brennkammern (52) jeweils kleiner 700 cm² ist.

2. Hausheizungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenquerschnittsfläche der einzelnen Brennkammern (52) zwischen 400 cm² und 3 cm², vorzugsweise zwischen 300 cm² und 10 cm² liegt und insbesondere kleiner 30 cm² ist.

3. Hausheizungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Brennkammer (52) mit einer ersten Innenquerschnittsfläche und wenigstens eine Brennkammer (52) mit einer zweiten Innenquerschnittfläche vorgesehen sind, wobei die erste Innenquerschnittsfläche und die zweite Innen- querschnittsfläche unterschiedlich sind.

4. Hausheizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammern (52) rohrfδraiig ausgebildet sind.

5. Hausheizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammern (52) nebeneinander in einer oder mehreren Ebenen in einem Heizkessel (53) angeordnet sind oder daß die Brennkammern (52) ringförmig in einem Heizkessel (53) angeordnet sind.

6. Hausheizungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammern (52) lediglich im unteren Bereich des Heizkessels (53) angeordnet sind.

7. Hausheizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, daß eine derart ausgebildete, vorzugsweise freiprogrammierbare Steuereinrichtung vorgesehen ist, daß einzelne Brenner (51) wärmebedarfsabhängig automatisch zu- oder abgeschaltet werden.

8. Hausheizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kesselanlage (50) wenigstens eine mindestens einen Adsorber (3, 4) mit einem Stickstoff adsorbierenden Adsoφtionsmittel aufweisenden Adsoφtionseimichtung (2) zur Sauerstoffanreicherung der Verbrennungsluft durch Abtrennung zumindest eines Teils des Stickstoffs aus der Verbrennungsluft zugeordnet ist.