Heizkessel für flüssige oder gasförmige Brennstoffe
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Heizkessel für flüssige oder gasförmige Brennstoffe.
Heizkessel sind in den verschiedensten Ausführungsformen bekannt. Beispielsweise ist ein Heizkessel, insbesondere für Zentralheizungen, bekannt geworden, der eine Feuerungseinrichtung für Öl und festen Brennstoff aufweist, und zwar derart, dass diese wahlweise einzeln oder gemeinsam betrieben werden können. Die Brennkammer dieses Heizkessels ist zylindrisch ausgebildet und von einem Wassermantel umgeben. Der Heizgasabzug liegt symmetrisch zum zylindrisch ausgebildeten Kessel.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung eines Heizkessels, dessen Brennkammer einen breiten Leistungsbereich erlaubt und in welcher, insbesondere bei einem hochbelasteten Heizkessel, eine wirtschaftlich optimale, geräuscharme Verbrennung ermöglicht wird. Es wird dabei gleichfalls eine sehr hohe spezifische Wärmebelastung in der Brennkammer und eine hohe, aber gleichmässige Wärmeaufnahme der Brennkammerwand erstrebt.
Aufgabe der Erfindung ist es ferner, eine intensive Durchmischung von Luft, Brennstoff und Feuergas zu erreichen, um zu verhindern, dass unverbrannte Bestandteile bei einer räumlich kleinen, Refraktionsmaterial-freien Verbrennungskammer an die Brennkammerwand gelangen; die Verbrennungsbestandteile sollen vollständig verbrennen. Die Anfahrdruckschwingungen sollen stark gedämpft sein.
Gelöst wird die gestellte Aufgabe dadurch, dass der Heizkessel für flüssige oder gasförmige Brennstoffe mit einer gekühlten rotationssymmetrisch ausgebildeten, im wesentlichen hohlkugelförmigen Brennkammer und einem Heizgasabzug in einer Rotationsachse versehen ist, wobei das Brennstoff-Luftgemisch einerseits und die Heizgase anderseits derart in die bzw. aus der Brennkammer geführt sind, dass in dieser eine Wirbelsenke entsteht, und wobei der Heizgasabzug in einer Symmetrieebene der Brennkammer liegt.
Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert; es zeigen in rein schematischer Darstellung:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Heizkessel für flüssige Brennstoffe gemäss Linie I-I der Fig. 2,
Fig. 2 einen Schnitt nach Linie II-II des Heizkessels, gemäss Fig. 1,
Fig. 3 einen Querschnitt durch den Heizkessel nach Linie III-III der Fig. 1, in etwas grösserem Masstab,
Fig. 6 drei Ausführungen von Brennkammern im Meridianschnitt,
Fig. 7 einen Längsschnitt durch einen Heizkessel für flüssige Brennstoffe, gemäss Linie V-V der Fig. 8,
Fig. 8 einen Querschnitt durch den Heizkessel nach Linie IV-IV der Fig. 7,
Fig. 9 Anfahrdruckschwingungen in der Brennkammer eines bekannten modernen Heizkessels, in graphischer Darstellung,
Fig.
10 die in gleicher Weise aufgenommenen Anfahr-Druckschwingungen des erfindungsgemässen Heizkessels.
Der in den 3 Fig. 1-3 dargestellte Heizkessel, ein Dampfkessel, besitzt eine vollständig im Wasser eingetauchte Brennkammer 1, welche im dargestellten Beispiel praktisch hohlkugelförmig ausgebildet ist. Diese Brennkammer 1 weist eine Brennerrohröffnung 5 mit einer Brennerachse 3 auf. Ein Brennerrohrstutzen 7 ist an seinem freien Ende mit einem Flansch 9 zum Befestigen eines Gebläses 11 versehen. In Fig. 2 ist das Ende eines Mischrohres 13 für Brennstoff und Brennluft im Brennerrohr sichtbar. Aus der Brennkammer 1 führen 2 symmetrisch zueinander angeordnete und praktisch eine gemeinsame Längsachse 19 aufweisende Brenakammeraustritte 15 und 17, deren Achse 19 ebenfalls eine Hauptachse der Brennkammer 1 ist.
Die Brennkammeraustritte 15 und 17 münden in einen Konvektionsteil 21, der sich halbkreisförmig um einen Kesselwassermantel 31 des Dampfkessels erstreckt. Dieser Konvektionsteil ist mit einem Rauchgasabgangsstutzen 23 verbunden. 2 Reinigungsstutzen 25 und 27 erlauben den Zugang zum Konvektionsteil 21.
Die Brennkammerwand 29 trennt die Brennkammer 1 von Kesselwasser 33. Der Konvektionsteil 21 weist Wasserrohre 35 auf. Der Dampfkessel hat eine Hauptachse 37, welche senkrecht auf der Brennerachse 3 steht, die ihrerseits windschief normal zur Achse 19 der Brenukammeraustritte 15, 17 verläuft. Der Dom des sich über dem Kesselwasser befindenden Raumes trägt einen Dampfentnahmestutzen 39. Ein Speisewasserstutzen 41 führt das Speisewasser seitlich durch den Kesselwassermantel 31 zu. Der beschriebene Kessel mit der Brennkammer 1 und dem Kesselwassermantel 31 ist zur Isolierung und zum Schutze mit einer Kesselumhüllung 43 versehen.
Die Brennerachse 3 ist, wie vorerwähnt, windschief normal zur Brennkammerachse 19 angeordnet, wobei der radial äusserste Stromfaden der einströmenden Flamme mit der Verbrennungsluft nicht in Richtung einer Tangente (was insbesondere für gasförmige Brennstoffe auch möglich wäre), sondern in Richtung einer Sekante in die Brennkammer 1 einströmt und, durch die Breunkammerwand 29 abgelenkt, in eine kreisförmige Bahn gezwungen wird. Die Heizgase strömen durch die beiden Brenukammeraustrifte 15 und 17 beidseits der Brennkammer 1 in den Konvektionsheizteil 21, wo sie sich, nachdem sie einen wesentlichen Teil ihrer Wärme an die Wasserrohre 35 abgegeben haben, im Heizgasabgangsstutzen 23 treffen, der sie zum Kamin (nicht dargestellt3 führt.
Wie z. B. aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, gilt dann
A+r < R und A > r! wobei r den Radius des Brennerrohrstutzens 7,
R den Radius der Brennkammer 1,
A den Abstand zwischen der Achse 19 der Brenn kammeraustritte 15, 17 und der Achse des Brennerrohres und r1 den Radius der Mischeinrichtung 13 des Brenners bedeuten. Es ist indessen bei gasförmigen Brennstoffen auch möglich, die Einführung tangential vorzunehmen, d. h. A+r = R.
Auf diese Weise entstehen in der Brennerkammer 1 zwei Wirbelsenken, in welchen der statische Druck gegen die Drehachse hin abnimmt und welche bezüglich der Ebene durch die Achse 37 und die Brennerachse 3 symmetrisch verlaufen. Hohe Tangentialgeschwindigkeiten ergeben zusätzlich zur Strahlung einen erheblichen Anteil an konvektivem Wärmeübergang. Durch Drall (erhöhte Turbulenz) entsteht im unmittelbar nachgeschalteten Rauchgasteil ein sehr guter Wärme übergang.
In Fig. 4 ist die Brennkammer 90 hohlkugelförmig.
Auch hier sind die beiden Abgangsstutzen 92 und 93 koaxial zueinander und sich gegenüberliegend angeordnet, wobei diese Stutzen etwas in die Brennkammer 90 hineinragen. Sie sind mittels Böden 95 und 96 abgeschirmt, um Kurzschluss-Strömungen zu verhüten und zu erreichen, dass die Rauchgase dem durch die Pfeile angedeuteten Strömungsweg folgen (Wirbelsenken).
Diese Lösung ist bei ausserordentlich hohen Brennkammerbelastungen vorteilhaft.
Die Konstruktion gemäss Fig. 5 stellt eine Ausführung analog derjenigen nach Fig. 4 mit 2 Abgangsstutzen dar, wobei hier aber keine Abschirmböden vorgesehen sind. Fig. 6 zeigt eine ebenfalls hohlkugelförmige Brennkammer 107, die im Mittelbereich, in den der Brenner einmündet, mit einer ringsumlaufenden Abkantung 108 zur vorteilhafteren Aufteilung der Brennkammer und damit des Flammengebildes versehen ist
Bei verschiedenen Ausführungen sind die Abzugsstutzen in die Brennkammer hineingeführt, um zu ermöglichen, dass in der Randzone der Brennkammer entlangströmende Gase wieder in die Nähe der heissen Zündzone 6 (Fig. 1) der rotierenden Flamme zurückgeführt werden.
Die Heizgas-Abzugsstutzen der Brennkammern gemäss den Fig. 5 und 6 sind gekühlt. Der in Fig. 7 und 8 dargestellte Dampfkessel hat ebenfalls eine hohlkugelförmige Brennkammer 110. Der Brenner (nicht dargestellt) wird mittels des Befestigungsflansches 9 am Brennerrohrstutzen 112 befestigt. Die Brennkammerwand 114 ist kugelförmig. Im Längsschnitt durch den Kessel gemäss Fig. 7 sind ferner ein Brennkammeraustritt 116, der in eine Heizgasumlenkkammer 118 mündet, sowie wassergekühlte, rauchgasführende Rohre 120 ersichtlich, an die ein ringförmiger Heiz-Sammelraum 122 anschliesst. Zur Heizgasabführung in den Kamin (nicht dargestellt) dient ein Heizgasstutzen 124.
Wie aus dem Schnitt V-V (Fig. 8) ersichtlich ist, werden die einzelnen heizgasführenden Rohre 120 jeweils ihrer Länge nach teilweise von einem wasserdurchströmten Rohr 126 ummantelt. Der Wasserabfluss der wasserführenden Rohre 126 wird jeweils durch Verbindungsstutzen 128 gewährleistet. Die heizgasseitige Reinigung des Dampfkessels erfolgt über Putzöffnungen 130 und über eine in einer durch Schamotte 132 geschützten Heizgasumlenkkammer 118 angeordnete Putzöffnung 134.
Bs ist bekannt, dass das Anfahrverhalten von Ölbrennern sowie die Geräuschdämpfung an Heizkesseln durch die akustische Kapazität der Brennkammer und die akustische Induktivität der Konvektionsheizfläche stark beeinflusst werden können. Neu ist nun die Erkenntnis, dass durch eine sinnvolle Zirkulation, wie sie in einer hohlkugelförmigen Brennkammer erzeugt wird, eine starke Reduktion der Anfahr-Druckschwingungen erreicht wird.
Eingehende Versuche haben bestätigt, dass die Eigendämpfung in einer derartigen Brennkammer bis zu 400/0 gegenüber den bekannten Brennkammern verbessert werden kann. In Fig. 9 wird eine Anfahr Druckschwingung dargestellt, wie sie in einem modernen bekannten Hochleistungskessel auftritt, während in Fig. b0 die Anfahr-Druckschwingung der Brennkammer mit nachgeschalteter Konvektionsheizfläche des erfindungsgemässen Heizkessels dargestellt wird. Da die Auslegung des Gebläses in erster Linie durch die Grösse der Anfahr-Druckschwingungen bestimmt wird und nicht vom statischen Überdruck in der Brennkammer, kann bei Anwendung einer derartigen Brennkam- mer mit preislich günstigeren Ölbrennern gearbeitet werden.
Da die ölflamme bei den bis heute bekannten Ölbrenner-Mischeinrichtungen in ihrem Kern an Luftmangel leidet, während in der Randzone Luftüberschuss herrscht, ist es wünschenswert und zweckmässig, eine Brenukammer zu schaffen, in welcher die von Natur aus ungleichmässige Mischung von Verbrennungsluft und Öl- bzw. Brennstoff, bedingt durch die Brennstoffverteilung in Düsenstrahlen, verbessert wird.
Dies wird dadurch erreich, dass die, für flüssige Brennstoffe vorteilhafterweise in Richtung einer Sekante, in eine hohlkugelförmige Brennkammer eingeführten Brennstoffteilchen unter Ausnutzung der in dieser Brennkammer herrschenden Kombination von Umfangs-, Radial- und Querströmungen in nahezu idealer Weise mit der Verbrennungsluft vermischt werden.
Durch diese gute Vermischung, verbunden mit einer zwangsweisen Rezirkulation von Verbrennungsgasen in die Zündzone 6 (in Fig. 1 dargestellt) wird der Verbrennungsvorgang intensiviert. Dieser Effekt kann noch verbessert werden, wenn, wie in den Fig. 1 und 3 ersichtlich, durch Anordnung sich gegenüberliegender Brennkammeraustritte eine Aufteilung der Flamme in der beschriebenen Weise vorgenommen wird. Dadurch wird die Mischwirkung und daher zwangsläufig der Verbrennungsvorgang verbessert.
Würde nämlich die Zufuhr des Brennstoff-Luftgemisches bei flüssigen Brennstoffen in der Fig. 2 radial weiter aussen erfolgen, so dass die äusserste Mantellinie der in Richtung der Brennerachse durch die Brennkammer fortgesetzte Brennerrohrlinie tangential oder noch weiter aussen verlaufen würde, so würde der flüssige zerstäubte Brennstoff unverbrannt an die Brenukammerwand gelangen.
In bekannten Ausführungen benützt man in Brennkammern zur Sicherstellung der Zündung und um die Reaktionszeit des Brennstoff-Luftgemisches herabzusetzen, feuerfestes Material.
Bei der vorliegenden Erfindung dagegen ist dank der hohen Mischwirkung und der Rückführung heisser Brenngase in die Zündzone kein feuerfestes Material in der Brennkammer nötig. Als besonderen Vorteil ist ferner zu erwähnen, dass die Abbrandgeschwindigkeit in einer solchen Brennkammer derart gross ist, dass trotz der hohen spezifischen Wärmebelastung derselben keine Flammen aus der Brennkammer austreten.
Daher ist es auch möglich, die Berührungsheizflächen unmittelbar nach der Austrittsöffnung für die Heizgase aus der Brennkammer anzuordnen.
Es ist ferner festzuhalten, dass die Längsachse des entstehenden Wirbelkernes mit dem Zentrum der Brennkammeraustrittsöffnung mindestens angenähert zusammenfällt.
Es ist im übrigen möglich, mehr als einen Brenner vorzusehen. Diese Brenner können, z. B. im gleichen Brennkammerquerschnitt, über dessen Umfang verteilt sein.
Aus vorstehender Beschreibung wird ersichtlich, dass die Brennkammer sowohl von feuerfestem Material, als auch von jeglichen Einbauten und Leitblechen frei ist, so dass Wärmestauungen einerseits und unnötige Druckverluste andererseits bewusst vermieden werden können.
Es sind Zyklonfeuerungen für feste Brennstoffe bekannt, deren Hauptverfahrensmerkmal die möglichst vollständige Abscheidung der durch die hohe Brennkammertemperatur verflüssigten Aschenteilchen in der Brennkammer, bzw. an der heissen Brennkammerwand darstellt, um einer zu starken Verschmutzung der Nachschaltheizfläche entgegen zu wirken.
Die erläuterten Eigenschaften der vorbeschriebenen Heizkessel mit hohlkugelförmigen Brennkammern werden vor allem dadurch erreicht, dass man die folgenden geometrischen Verhältnisse realisiert:
Abstand A der Brennerachse 3 von der Achse 19 der Brennkammer: (0,1-:0,4)D,
Abstand B der Brennerdüse 140 von der Vertikalebene zur Brennerachse 3 durch die Brennkammerachse 19: (0,25 . 0,5) D,
Verhältnis der Summe der einzelnen Querschnitte der Heizgasabzugsöffnungen zum Brennraumquerschnitt z .D2 : höchstens 0,5.
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Dabei bedeutet D den Durchmesser der hohlkugelförmigen Brennkammer.
Es ist natürlich ohne weiteres möglich; die beschriebenen Heizkessel anstatt mit flüssigen mit gasförmigen Brennstoffen zu betreiben.