Der Patentanspruch des Hauptpatentes betrifft einen Heizkessel für flüssige oder gasförmige Brennstoffe mit einer gekühlten, rotationssymmetrisch ausgebildeten, im wesentlichen hohlkugelförmigen Brennkammer und einem Heizgasabzug in einer Rotationsachse, wobei das Brennstoff-Luftgemisch einerseits und die Heizgase andererseits 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 vorliegende Erfindung ist eine Weiterentwicklung des Heizkessels nach dem Hauptpatent. Es sollen dabei sehr hohe spezifische Brennkammerbelastungen und eine hohe, aber gleichmässige Wärmeaufnahme der Brennkammerwand erreicht werden.
Der erfindungsgemässe Heizkessel zeichnet sich dadurch aus, dass die Brennkammer frei von feuerfestem Auskleidungsmaterial ist.
Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand der Zeichnung 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 111-111 der Fig. 1,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen liegenden Heizkessel, gemäss Linie IV-IV der Fig. 5,
Fig. 5 einen Querschnitt durch den Kessel nach Linie V-V der Fig. 4,
Fig. 6-8 verschiedene Ausführungen von Brennkammern im Meridianschnitt,
Fig. 9 einen Längsschnitt durch einen Heizkessel für flüssige Brennstoffe, gemäss Linie VII-VII der Fig. 10,
Fig. 10 einen Schnitt nach Linie VI-VI des Heizkessels, gemäss Fig. 9,
Fig.
11 Anfahrdruckschwingungen in der Brennkammer eines bekannten, modernen Heizkessels in graphischer Darstellung,
Fig. 12 die in gleicher Weise aufgenommenen Anfahrdruckschwingungen in der Brennkammer des erfindungsgemässen Heizkessels.
Der in den drei Figuren 1-3 dargestellte Heizkessel, ein Dampfkessel, besitzt eine vollständig im Wasser eingetauchte Brennkammer 1, welche praktisch hohlkugelförmig ausgebildet ist. Die 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 zwei symmetrisch zueinander angeordnete und praktisch eine gemeinsame Längsachse 19 aufweisende Brennkammeraustritte 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.
Zwei Reinigungsstutzen 25 und 27 erlauben den Zugang zum Konvektionsteil 21. Die Brennkammerwand 29 trennt die Brennkammer 1 vom 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 Brennkammeraustritte 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 dem Dampfkessel 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 in Richtung einer Sekante in die Brennkammer 1 einströmt und, durch die Brennkammerwand 29 abgelenkt, in eine kreisförmige Bahn gezwungen wird. Die Heizgase strömen durch die beiden Brennkammeraustritte 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 dargestellt) führt.
Auf diese Weise entstehen in der Brennkammer 1 zwei Wirbelsenken, 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 Heizgasteil ein sehr guter Wärmeübergang.
Der in den Fig. 4 und 5 dargestellte Heizkessel weist ebenfalls eine hohlkugelförmige Brennkammer 1 auf, in welcher der Brennerrohrstutzen 7 (mit der Brennerachse 3) in Rich tung einer Sekante einmündet. Das Gebläse 11 ist mittels des Befestigungsflansches 9 am Brennerrohrstutzen 7 angeflanscht.
Die Brennkammerwand 29 ist kugelförmig. Im Längsschnitt durch den Kessel gemäss Fig. 4 ist ferner die Kesselummantelung 46 ersichtlich sowie ein von dieser umbauter Wassermantel 48 zur äusseren Begrenzung eines Wasserraumes 49. In den Wasserraum 49 münden ein Vorlaufstutzen 50 und ein Rücklaufstutzen 52. Auch bei dieser Ausführung weist die Brennkammer 1 zwei sich diametral gegenüberliegende Brennkammeraustritte 54 und 55 mit einer gemeinsamen Achse 19 auf.
Diese beiden Austritte 54 und 55 münden in eine untere Heizgaskammer 57, aus welcher Heizgasrohre 58 in eine obere Heizgaskammer 59 führen. Die beiden Heizgaskammern 57 und 59 sind durch eine Trennwand 61 voneinander getrennt.
Im hinteren Teil des Wasserraumes 49 sind, wie Fig. 4 zeigt, die Heizrohre 58 angeordnet und zwar in zwei zueinander parallel liegenden senkrechten Bündeln, zwischen denen (Fig. 5) ein Verbrauchswarmwasserbereiter 63 mit Zellen 64 angeordnet ist. Nach Durchströmen der Heizgasrohre 58 sammeln sich die Heizgase in der oberen Heizgaskammer 59 und verlassen diese durch einen Heizgasabgang 66.
In Fig. 6 ist die Brennkammer 90 ebenfalls 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 Ausführung gemäss Fig. 7 stellt eine Abwandlung der Ausführung nach Fig. 6 mit zwei Abgangsstutzen 100 und 101 dar, die mit Wasserringmänteln 103 und 104 versehen sind, während Fig. 8 eine hohlkugelförmige Brennkammer 107 aufweist, 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.
Der in den Fig. 9 und 10 dargestellte Heizkessel oder Dampfkessel hat ebenfalls eine hohlkugelförmige Brennkammer 110, in welche ein Brennerrohrstutzen 112 in Richtung einer Sekante einmündet. 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. 9 sind ferner ein Brennkammeraustritt 116, der in eine Heizgasumlenkkammer 118 mündet, sowie wassergekühlte, heizgasführende Rohre 120 ersichtlich, an die ein ringförmiger Heizgas-Sammelraum
122 anschliesst. Zur Heizgasabführung in den Kamin (nicht dargestellt) dient ein Abgasstutzen 124. Wie aus dem Schnitt VII-VII (Fig. 10) ersichtlich ist, werden die einzelnen heizgasführenden Rohre 120 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.
Es 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 Anfahrdruckschwingungen erreicht wird.
Eingehende Versuche haben bestätigt, dass die Eigendämpfung in einer derartigen Brennkammer bis zu 40% gegenüber den bekannten Brennkammern verbessert werden kann. In Fig. 11 wird eine Anfahrdruckschwingung dargestellt, wie sie in einem modernen bekannten Hochleistungskessel auftritt, während in Fig. 12 die Anfahrdruckschwingung der Brennkammer mit nachgeschalteter Konvektionsheizfläche des erfindungsgemässen Heizkessels dargestellt wird. Da die Auslegung des Gebläses in erster Linie durch die Grösse der Anfahrdruckschwingungen bestimmt wird und nicht vom statischen Überdruck in der Brennkammer, kann bei Anwendung einer derartigen Brennkammer mit preislich günstigeren ölbrenner 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 Brennkammer zu schaffen, in welcher die von Natur aus ungleichmässige Mischung von Verbrennungsluft und Ölpartikeln, bedingt durch die Brennstoffverteilung in Düsenstrahlen, verbessert wird. Dies wird dadurch erreicht, dass sie, für flüssige Brennstoffe vorteilhafterweise in Richtung einer Sekante, in eine hohlkugelähnliche Brennkammer eingeführten Brennstoffteilchen unter Ausnutzung der in dieser Brennkammer herrschenden Kombination von Umfangs-, Radial- und wandnahen Querströmungen in nahezu idealer Weise mit der Verbrennungsluft vermischt werden.
Durch diese gute Vermischung, verbunden mit einer zwangsweisen und optimalen 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.
In bekannten Ausführungen benützt man in Brennkammern zur Sicherstellung der Zündung und um die Reaktionszeit des Brennstoffluftgemisches herabzusetzen, Refraktionsmaterial.
Bei der vorliegenden Erfindung dagegen ist dank der hohen Mischwirkung und der Rückführung heisser Brenngase in die Zündzone kein feuerfestes Auskleidungsmaterial in der Brennkammer nötig. Als besonderer 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.
Aus vorstehender Beschreibung wird ersichtlich, dass die Brennkammer sowohl frei von feuerfestem Auskleidungsmaterial 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 entgegenzuwirken.
Der beschriebene Heizkessel unterscheidet sich aber von den bekannten Heizkesseln dadurch, dass die in Richtung einer Sekante in die Brennkammer eingeführten flüssigen Brennstoffteilchen auf keinen Fall die gekühlte Brennkammerwand berühren, womit Koksanlagerungen sicher vermieden werden.
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 Heiz gasabzugsöffnungen zum Brennkammerquerschnitt z : höchstens 0,5,
4 - Abstand der Brennerachse 3 von der nächstgelegenen Heiz gasaustrittsöffnung: höchstens 0,75 D.
Dabei bedeutet D den Durchmesser der hohlkugelförmigen
Brennkammer.