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EP 0 939 276 B1 |
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EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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Hinweis auf die Patenterteilung: |
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09.04.2003 Patentblatt 2003/15 |
(22) |
Anmeldetag: 27.05.1998 |
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Vorrichtung in mit flüssigen Brennstoffen betriebenen Heizungsanlagen
Device in liquid fuel-fired heating installations
Dispositif dans des installations de chauffage à combustibles liquides
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(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
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AT BE CH DE FR LI |
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Priorität: |
27.02.1998 AT 35298
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(43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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01.09.1999 Patentblatt 1999/35 |
(73) |
Patentinhaber: Windhager Zentralheizung Gesellschaft m.b.H. |
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5201 Seekirchen (AT) |
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Erfinder: |
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- Keppler, Michael, Dr. Ing.
91080 Uttenreuth (DE)
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(74) |
Vertreter: Hübscher, Helmut, Dipl.-Ing. et al |
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Patentanwälte Hübscher & Hübscher
Postfach 380
Spittelwiese 7 4021 Linz 4021 Linz (AT) |
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Entgegenhaltungen: :
WO-A-97/49952 GB-A- 191 228 477
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DE-A- 19 646 957 US-A- 2 095 065
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- HOWELL J R ET AL: "Combustion of hydrocarbon fuels within porous inert media" PROGRESS
IN ENERGY AND COMBUSTION SCIENCE,NL,ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS, AMSTERDAM, Bd. 22,
Nr. 2, Seite 121-145 XP004040981 ISSN: 0360-1285
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Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung in mit flüssigen Brennstoffen betriebenen
Heizungsanlagen zur Erzeugung eines für die Verbrennung an bzw. in wenigstens einem
porösen Festkörper bestimmten Brennstoff-Luftgemisches, mit einem dem Abbrandbereich
am Festkörper vorgeordneten Mischraum für die Verbrennungsluft und den Brennstoff,
für den eine Einspritzdüse als sowohl mit dem flüssigen Brennstoff, als auch mit unter
Überdruck stehendem Gas, nämlich wenigstens einem Teil der Verbrennungsluft und bzw.
oder zurückgeführten Verbrennungsabgasen beschickbare Zerstäuberdüse ausgebildet ist,
die in dem gegen den Abbrandbereich offenen und zusätzlich mit Verbrennungsluft bzw.
dem Rest der Verbrennungsluft beschickbaren Mischraum eine gegen diesen Abbrandbereich
gerichtete Sprühwolke erzeugt.
[0002] Heizungsanlagen dieser allgemeinen Art werden beispielsweise in Form von Zentralheizungskesseln
realisiert. Gegenüber den herkömmlichen Heizungsanlagen, bei denen ein Brennstoff-Luftgemisch
einem Brenner zugeführt und durch geeignete strömungstechnische Maßnahmen eine örtlich
stabilisierte Flamme am Brenner erhalten wird, haben Heizungsanlagen, für die eine
vorliegende Vorrichtung gedacht ist, den Vorteil, daß die Verbrennung am bzw. im porösen
Festkörper in einem genau definierbaren Bereich erfolgt, wobei eine verbesserte Ausnützung
des Brennstoffes bei erhöhtem Wirkungsgrad und zusätzlich geringerer Schadstoffbelastung
durch die Abgase erhalten werden kann. Als poröse Festkörper werden in der Praxis
offenporige Keramikkörper, mit Kugeln aus keramischem Material gefüllte hitzebeständige
Behälter oder Einsätze, aber auch Drahtgeflechte verschiedenster Form verwendet. Die
erwähnten erzielbaren Verbesserungen hängen in der Praxis allerdings sehr weitgehend
von einer richtigen Aufbereitung des Brennstoff-Luftgemisches und von der richtigen
Verteilung dieses Brennstoff-Luftgemisches beim Abbrand, also beim Anströmen oder
Durchströmen des Festkörpers ab. Hier können die bekannten Vorrichtungen noch nicht
voll befriedigen. Bei einer bekannten Ausführung ist dem Abbrandbereich mit Abstand
der Mischraum vorgeordnet, bei dem es sich praktisch um eine mit Luft beschickbare
Kammer handelt, in die der Brennstoff durch eine oder mehrere Einspritzdüsen in Form
feiner Strahlen eingespritzt wird, wobei durch die Relativbewegung von Luft und Strahlen
eine Aufteilung des Brennstoffes in Tröpfchen angestrebt wird und durch Durchwirbelung
dieses Gemisches im weiteren Förderweg eine Homogenisierung erzielt werden soll. Trotzdem
lassen sich kaum tatsächlich homogene Brennstoff-Luftgemische erzielen. Wegen der
vorkommenden Schwankungen ergibt sich eine unterschiedliche Flammenbildung am porösen
Festkörper und damit auch eine unterschiedliche Verteilung in der erzeugten Wärme,
wobei es bei nicht ausreichend fein verteiltem Brennstoff und unhomogener Zusammensetzung
des Brennstoff-Luftgemisches auch zu einer unvollständigen Verbrennung von Teilen
des Brennstoffes kommen kann, worunter wieder der Wirkungsgrad leidet und eine erhöhte
Schadstoffbelastung der Abgase möglich ist. Die aufgezeigten Nachteile sind auch bei
einer alle eingangs erwähnten Merkmale aufweisenden Vorrichtung gemäß der GB-A-28477
vorhanden. Bei dieser Vorrichtung wird im wesentlichen eine Verbrennung des aufbereiteten
Brennstoff-Luftgemisches an der Oberfläche eines porösen Festkörpers angestrebt, wobei
grundsätzlich nur feinst verteilter Brennstoff, nicht aber thermisch aufbereiteter
oder verdampfter Brennstoff auf den Festkörper auftreffen soll. Die vorgesehene Zerstäuberdüse
mündet bei einer Ausführung in einem sich von einem Luftzuführungsrohr an konisch
erweiternden Mischraum, der im unteren Bereich des Festkörpers vorgesehen ist. Die
Luft wird ausschließlich über dieses Luftzuführungsrohr zugeführt und strömt an der
Zerstäuberdüse vorbei zum Abbrandbereich. Es findet keine Gasphasenreaktion statt
und es ergibt sich weder eine ganz gleichmäßige Verteilung des Brennstoff-Luftgemisches
über den Einlaßbereich noch ist eine tatsächlich vollständige Verbrennung im wesentlichen
innerhalb des Festkörpers gewährleistet. Bei einer für die Feuerbüchse von Dampfloks
gedachten Ausführungsvariante, die die gleichen grundsätzlichen Nachteile aufweist,
wird als Festkörper ein relativ flaches Glutbett aus den erwähnten Feststoffen vorgesehen
und es sind abstandsweise nach oben zum Glutbett gerichtete, von einem Gebläse aus
beschickte Lufteinlaßrohre vorhanden, in denen die Zerstäuber- bzw. Spritzdüsen münden.
Oberhalb des Glutbettes befindet sich ein Nachverbrennungsraum, an den ein weiterer
Nachverbrennungsbereich anschließt, in den von porösen, die Nachverbrennung begünstigenden
Festkörpern ummantelte Wasserführungsrohre der Dampferzeugungsanlage einragen.
[0003] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben,
die einen homogenen Betrieb der Heizungsanlage mit bevorzugter vollständiger Verbrennung
der auch therrnisch aufbereiteten Brennstoffe innerhalb des bzw. eines Festkörpers
gewährleistet, dabei eine homogene Aufbereitung des Gemisches schon innerhalb des
Mischraumes ermöglicht und auch eine Beeinflussung der Ausrichtung und Konsistenz
der gegen den Abbrandbereich am bzw. im Festkörper gerichteten Sprühwolke zuläßt.
[0004] Die gestellte Aufgabe wird prinzipiell dadurch gelöst, daß im Mischraum mit Abstand
von der Zerstäuberdüse ein oder mehrere Einlässe für die bzw. den Rest der Verbrennungsluft
vorgesehen sind, die zur Erzeugung eines homogenen Brennstoff-Luftgemisches über diesen
Einlaß bzw. diese Einlässe mit unter einem Anstellwinkel zur Sprühwolke gerichtetem
Strömungsverlauf zuführbar ist.
[0005] Die feinsten Partikel des Brennstoffes innerhalb der Sprühwolke können durch Wärmeeinwirkung
zusätzlich zur Verdampfung gebracht werden, so daß ein völlig homogenisiertes Brennstoff-Luftgemisch
tatsächlich zur Verbrennung gelangt. Die Wärmezufuhr erfolgt durch Wärmestrahlung
vom Abbrandbereich her durch Zufuhr heißer Verbrennungsabgase bei der Bildung der
Sprühwolke und bzw. oder durch Vorwärmung der für die Bildung der Sprühwolke verwendeten
Verbrennungsluft. Bei einer Abgasrückführung wird gewährleistet, daß selbst geringe
Mengen unvollständig verbrannter Bestandteile verbrannt und damit schadstoffarm entsorgt
werden. Überdies kann man die Sprühwolke so einstellen, daß die Sprühwolke über genau
vorherbestimmbare Bereich des Abbrandbereiches vorzugsweise gleichmäßig verteilt wird,
so daß eine gleichmäßige Abbrandfront in bzw. an diesem Festkörper entsteht. Die unter
einem Anstellwinkel zur Sprühwolke gerichteten Luftströme bewirken eine noch feiner
Verteilung der Brennstoffpartikel und tragen damit zur Homogenisierung bei. Durch
die Ausrichtung der Luftströmungen gegeneinander und gegenüber der Sprühwolke läßt
sich die Form und die Durchwirbelung der den Mischraum in Richtung auf die Abbrandzone
zu verlassenden Sprühwolke und auch die Verweildauer der Bestandteile der Sprühwolke
im Mischraum beeinflussen. Die zusätzliche Verbrennungsluft wird nach einer Möglichkeit
über ein Gebläse zugeführt. Nach einer anderen Variante wird in der Heizungsanlage
abzugsseitig ein Sauggebläse angebracht, so daß die zusätzliche Verbrennungsluft entsprechend
angesaugt wird. Besonders die letztgenannte Ausführung erleichtert es, wenigstens
einen Teil der abgesaugten Verbrennungsgase abzuzweigen und für die Bildung der Sprühwolke
an der Zerstäuberdüse zu verwenden.
[0006] Vorzugsweise sind der bzw. die Einlässe für die Verbrennungsluft bzw. den Rest der
Verbrennungsluft radial gerichtet und in der Nähe des zum Abbrandbereich führenden
Auslasses des Mischraumes vorgesehen.
[0007] Ein besonders hoher Gleichmäßigkeitsgrad wird auch dann erreicht, wenn ein als umlaufender
Ringspalt der Mischraumwand ausgebildeter zusätzlicher Lufteinlaß vorgesehen ist.
Hier erzeugt die konzentrisch zur Mitte einströmende Luft in diesem Bereich koaxial
ausgerichtete Querkomponenten, die die Bildung einer besonderen Form der Sprühwolke
ermöglichen. Meist wird man an der Zerstäuberdüse einen kleineren Abstrahlkegel für
die Sprühwolke einstellen, da dieser Abstrahlkegel sich durch die zusätzlich zugeführten
Luftströmungen gegen den Austrittsbereich des Mischraumes zu aufweiten wird.
[0008] Wenn für den bzw. die zusätzlichen Lufteinlässe Abdeckungen aus porösen Festkörpem
vorgesehen sind, kann man eine weitere Vergleichmäßigung der Lufteinströmung erzielen
und zusätzlich bei vom Abbrandbereich her erwärmten Abdeckungen über diese einen Teil
der zur Verdampfung des Brennstoffes benötigten Wärme zuführen.
[0009] Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes entnimmt man der nachfolgenden
Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielswiese
dargestellt. Es zeigen
- Fig. 1
- eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Längsschnitt und
- Fig. 2
- in kleinerem Maßstab und teilweise schematisiert eine Ausführungsvariante der Vorrichtung
bei ihrem Einsatz auf einem Zentralheizungskessel.
[0010] Die Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2 bildet einen Aufsatzteil auf einen Zentralheizungskessel
1, von dem in Fig. 2 nur ein Wassermantel 2, mit diesem verbundene Wärmetauscher 3,
Vor- und Rückleitungsanschlüsse 4, 5 und ein poröser, aus mehreren Schichten aufgebauter
Festkörper 6 dargestellt wurden, in welchem porösen Festkörper 6 beim Normalbetrieb
der Abbrand stattfindet. Ein Rauchgasabzug, in dem gegebenenfalls ein Sauggebläse
untergebracht wird, ist vorhanden, wurde aber nicht dargestellt. Zwischen dem Festkörper
6 und einem oberen Aufsatzteil 7 des Kessels 1 sind mehrere Lagen 8, 9, 10 aus porösem,
offenporigem Schaummaterial vorgesehen, die der besseren Verteilung des Brennstoff-Luftgemisches
und einer teilweisen Wärmeabschirmung der Abbrandzone 6 gegen die Mischkammer 11 einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung dienen.
[0011] Diese Mischkammer 11 hat die Grundform einer nach unten offenen Glocke, die über
einer Öffnung 12 einer Abdeckplatte 13 des Kessels angeordnet ist (Fig. 1). Nach Fig.
2 greift ein wieder poröser Teil 14 in die untere Öffnung der Mischkammer 11 ein,
wobei sowohl hier als auch bei der Ausführung nach Fig. 1 zwischen dem unteren Rand
der Mischkammer 11und dem Kessel ein Lufteinlaßspalt 15 freibleibt.
[0012] Die Mischkammer 11 ist in den Aufsatzteil 7 bzw. einem Kasten 16 eingesetzt, der
mit dem Spalt 15 in Verbindung steht und über eine Leitung 17 mit Verbrennungstuft
beschickt werden kann. Bei einem Sauggebläse am Rauchgasabzug ist die Leitung 17 nach
außen offen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Leitung 17 über ein Druckgebläse
mit Luft zu beschicken.
[0013] In die Mischkammer 11 ist vom Scheitel her eine Zerstäuberdüse 18 eingesetzt, die
über eine Leitung 20 von einer Pumpe her mit unter Druck gesetztem flüssigem Brennstoff
(Heizöl) und über einen weiteren Einlaß 21 (nur in Fig. 1 dargestellt) mit Druckluft
oder mit unter Druck gesetzten, zurückgeführten Verbrennungsabgasen beschickt werden
kann und am Austrittsende während des Betriebes eine Sprühwolke 22 abstrahlt. Ohne
zusätzliche Luftzufuhr hätte die Sprühwolke 22 etwa den in Fig. 1 angedeuteten Umriß.
Da aber über den Ringspalt 15 mit radialer Strömungsrichtung Luft eindringt, wird
die Sprühwolke in ihrer Form verändert und tritt daher breitflächig, vorzugsweise
über die gesamte Öffnung 12, in Richtung auf die porösen Körper 6, 8, 9, 10 zu aus.
Durch den Aufprall der zusätzlich zugeführten Luft auf die Sprühwolke wird ein homogenes
Brennstoff-Luftgemisch erreicht, das überdies durch die Abstrahlung von 10 her bzw.
über den Körper 14 vorgewärmt wird und beim Durchtritt durch die porösen Schichten
8 - 10 verdampft, ehe es schließlich in der Zone 6 verbrennt.
[0014] Beim Start der Heizungsanlage wird das nach Einschalten der Brennstoff- und Luftzufuhr
im Mischraum 11 vorhandene Brennstoff-Luftgemisch innerhalb dieses Mischraumes mittels
einer Zünd- oder Glühkerze 23, 24 gezündet. Durch den herrschenden Zug wandert die
Abbrandzone durch die Schichten 10, 9, 8 schließlich in den Bereich 6, wo während
des Dauerbetriebes der vollständige Abbrand am porösen Festkörper vor sich geht.
[0015] Bei den Ausführungsbeispielen wurde von einer Luftzufuhr über den Ringspalt 15 ausgegangen.
Es wäre auch möglich, statt diesem Ringspalt mehrere, vorzugsweise radial gerichtete
Luftzufuhröffnungen in der Glocke vorzusehen.
1. Vorrichtung in mit flüssigen Brennstoffen betriebenen Heizungsanlagen (1) zur Erzeugung
eines für die Verbrennung an bzw. in wenigstens einem porösen Festkörper (6) bestimmten
Brennstoff-Luftgemisches, mit einem dem Abbrandbereich am Festkörper (6) vorgeordneten
Mischraum (11) für die Verbrennungsluft und den Brennstoff, für den eine Einspritzdüse
(18) als sowohl mit dem flüssigen Brennstoff, als auch mit unter Überdruck stehendem
Gas, nämlich wenigstens einem Teil der Verbrennungsluft und bzw. oder zurückgeführten
Verbrennungsabgasen beschickbare Zerstäuberdüse ausgebildet ist, die in dem gegen
den Abbrandbereich offenen und zusätzlich mit Verbrennungsluft bzw. dem Rest der Verbrennungsluft
beschickbaren Mischraum (11) eine gegen diesen Abbrandbereich gerichtete Sprühwolke
(22) erzeugt, wobei der Mischraum (11) die Grundform eines z. B. glockenförmigen Rotationskörpers
aufweist und die Zerstäuberdüse (18) im Scheitelbereich dieses Hohlraumes angebracht
und koaxial zu diesem ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Mischraum mit Abstand von der Zerstäuberdüse (18) einen oder mehrere Einlässe
(15) für die bzw. den Rest der Verbrennungsluft vorgesehen sind, die zur Erzeugung
eines homogenen Brennstoff-Luftgemisches über diesen Einlaß (15) bzw. diese Einlässe
mit unter einem Anstellwinkel zur Sprühwolke (22) gerichtetem Strömungsverlauf zuführbar
ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Einlässe (15) für die Verbrennungsluft bzw. den Rest der Verbrennungsluft
radial gerichtet und in der Nähe des zum Abbrandbereich führenden Auslasses (12) des
Mischraumes (11) vorgesehen sind.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein als umlaufender Ringspalt (15) der Mischraumwand ausgebildeter zusätzlicher Lufteinlaß
vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den bzw. die zusätzlichen Lufteinlässe (15) Abdeckungen (14) aus porösen Festkörpern
vorgesehen sind.
1. A device in heating systems (1) operated with liquid fuels for the production of a
fuel and air mixture intended for combustion on or in at least one porous solid (6),
with a mixing chamber (11) preceding the burning zone on the solid (6) for the air
for combustion and the fuel, for which an injection nozzle (18) is constructed as
an atomiser nozzle which can be fed both with the liquid fuel and with a gas at positive
pressure, namely at least some of the air for combustion and/or recycled combustion
waste gases, which atomiser nozzle produces in the mixing chamber (11) which is open
towards the burning zone and which can additionally be supplied with air for combustion
and/or the rest of the air for combustion, a spray cloud (22) directed towards said
burning zone, the mixing chamber (11) having the basic shape of a, for example, bell-shaped
body of rotation and the atomiser nozzle (18) being mounted in the apex zone of this
cavity and being aligned coaxially therewith, characterised in that one or more inlets (15) for the air for combustion or the rest of the air for combustion
is/are provided in the mixing chamber at a distance from the atomiser nozzle (18),
said air for combustion or rest of the air for combustion being feedable, to produce
a homogeneous fuel and air mixture, through said inlet (15) or inlets with a flow
configuration directed at an angle of incidence to the spray cloud (22).
2. A device according to claim 1, characterised in that the inlet and inlets (15) for the air for combustion or rest of the air for combustion
is/are directed radially and provided near the outlet (12) of the mixing chamber (11)
leading to the burning zone.
3. A device according to claim 1 and 2, characterised in that an additional air inlet is provided in the form of a peripheral annular gap (15)
in the mixing chamber wall.
4. A device according to any one of claims 1 to 3, characterised in that covers (14) of porous solids are provided for the additional air inlet or inlets
(15).
1. Dispositif dans des installations de chauffage (1) à combustibles liquides, pour produire
un mélange air-combustible déterminé pour la combustion sur, ou en, au moins un corps
solide (6) poreux, avec une chambre de mélange (11) placée en amont de la zone de
combustion sur le corps solide (6), pour l'air de combustion et le combustible, pour
lequel un injecteur (18) est réalisé sous la forme de buse de pulvérisation, pouvant
être alimentée tant avec le combustible liquide, qu'également avec du gaz placé sous
une pression supérieure à l'atmosphère, précisément au moins une partie de l'air de
combustion et/ou des gaz d'échappement de combustion recirculés, buse de pulvérisation
qui, dans la chambre de mélange (11) ouverte vers la zone de combustion et en plus
pouvant être alimentée avec de l'air de combustion ou le reste de l'air de combustion,
produit un nuage de pulvérisation (22) tourné vers cette zone de combustion, où la
chambre de mélange (11) présente la forme de base d'un corps de rotation, par exemple
en forme de cloche, et la buse de pulvérisation (18) est montée dans la zone de sommet
de cet espace creux et est orientée coaxialement à celle-ci, caractérisé en ce que, dans la chambre de mélange, à distance de la buse de pulvérisation (18), est/sont
prévue(s) une ou plusieurs admissions (15) pour l'air de combustion ou le reste d'air
de combustion, pour générer un mélange air-combustible homogène, pouvant être amené,
par cette admission (15) ou ces admissions, avec une allure d'écoulement orientée
sous un angle d'inclinaison par rapport au nuage de pulvérisation (22).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ou les admissions (15) prévue(s) pour l'air de combustion ou le reste d'air de
combustion sont orientées radicalement, et des échappements (12) guidant vers la zone
de combustion sont orientés radialement et prévus à proximité de l'échappement (12),
menant à la zone de combustion, de la chambre de mélange (11).
3. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on prévoit une admission d'air additionnelle, réalisée sous la forme d'interstice
annulaire (15) de pourtour, de la paroi de chambre de mélange.
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que des recouvrements (14) en corps solides poreux sont prévus pour la ou les admissions
d'air (15) supplémentaire(s).