Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontrollierten Abbrennen eines in einem vertikalen Feuerungsschacht eines Ofens aufgeschichteten Stapels aus festem Brennstoff, insbesondere Holz, mittels oberem Abbrand, bei dem der Brennstoffstapel an seiner oberen Oberfläche entzündet und dann von oben nach unten abgebrannt wird.
Bei Ofen für feste Brennstoffe, insbesondere Holz, ist es bekanntlich sehr schwierig, mit einer einzigen Brennstoffüllung einen über mehrere Stunden andauernden, gleichmässigen und hygienischen Abbrand zu erreichen. Bei den bekannten Öfen für feste Brennstoffe, insbesondere Holz, mit vertikalem Feuerungsschacht, arbeitet man im allgemeinen nach dem Prinzip des unteren Abbrands. Das bedeutet, dass zunächst im Feuerungsschacht, dessen Boden als Rost ausgebildet ist, der Brennstoff, also das Holz, aufgeschichtet wird, worauf dann der Holzstapel an seiner Unterseite angezündet wird. Die für die Verbrennung erforderliche Verbrennungsluft wird dabei von unten her durch den Rost zu- und die Verbrennungsgase seitlich abgeführt. Theoretisch soll nun der Holzstapel gleichmässig unten abbrennen und die zu verfeuernde Brennstoffmenge kontinuierlich von oben nachrutschen. In der Praxis jedoch stellt sich nach vergleichsweise kurzer Zeit ein durchbrandähnlicher Betriebszustand ein, d.h., die gesamte im Feuerungsschacht befindliche Holzmenge wird thermisch zersetzt, mit der Folge einer sehr hohen aber zeitlich begrenzten Leistungsspitze oder einer intensiven Rauchentwicklung falls die Abgase oben nicht abziehen können. Der Grund dafür besteht darin, dass mit dem über der Glut lagernden Brennstoff ein konvekter Wärmeaustausch stattfindet oder dass die bei der Verbrennung entstehenden heissen Abgase das über dem Glutbett befindliche Holz im Fall einer Abzugsmöglichkeit über dem Brennstoffdepot bei ihrem Weg nach oben erhitzen. Nach dem gesicherten Stand der Technik wird Holz aber bereits bei Temperaturen zwischen 100 und 150°C thermisch zersetzt, wobei brennbare und leicht entzündbare Gase entstehen, die dann in kurzer Zeit zu den erwähnten Reaktionen des gesamten Holzstapels führen. Ein kontrollierter, kontinuierlicher und hygienischer sowie wirtschaftlicher Abbrand ist also auf diese Weise nicht zu erreichen.
Es ist deshalb auch bereits versucht worden, mit einem sogenannten oberen Abbrand zu arbeiten, bei dem der Holzstapel an seiner oberen Oberfläche angezündet wird und dann von oben nach unten abbrennen soll. In der Praxis kommt es jedoch auch hierbei vergleichsweise schnell zu einem Durchbrand des gesamten Holzstapels. Die Strömungsgeschwindigkeit der von unten, also vom Rost her, zugeführten und den Holzstapel nach oben zum Glutbett hin durchströmenden Verbrennungsgase ist nämlich sehr gering, so dass die Verbrennungsluft durch den dagegen vergleichsweise schnellen Vorgang der Wärmeübertragung bereits weit unterhalb des Glutbettes erwärmt wird, mit der Folge, dass die oben in Verbindung mit dem unteren Abbrand erwähnten Zersetzungsvorgänge des Holzes auch hier auftreten, und zwar von oben nach unten fortschreitend. Der Holzstapel zündet also von oben nach unten durch, und es stellt sich ein Durchbrand wie im Fall des unteren Abbrands ein. Gegenüber dem Betrieb mit unterem Abbrand ergibt sich also beim oberen Abbrand lediglich der Unterschied, dass die unerwünschte hohe Leistungsspitze (Durchbrand) mit einer gewissen Zeitverzögerung erfolgt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, das Verfahren mit oberem Abbrand derart zu verbessern, dass ein kontrollierter, leistungsmässig gleichmässiger und hygienischer Abbrand erreicht wird, ohne die Gefahr eines unkontrollierten Durchbrands oder Verschwelung der gesamten Brennstoffüllung. Weiterhin ist Aufgabe der Erfindung die Schaffung eines Ofens zur Durchführung dieses Verfahrens. Die verfahrensmässige Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Patentanspruchs 1, die vorrichtungsmässige Lösung aus den Merkmalen des Patentanspruchs 3.
Mit der Erfindung wird also dafür Sorge getragen, dass derjenige Teil des Holzes, der - als Vorrat - noch nicht an der Verbrennung teilnehmen soll, weder von den Verbrennungs-Abgasen noch von der dem Verbrennungsbereich zuzuführenden Verbrennungsluft durchströmt wird, somit unter Zersetzungstemperatur bleibt, und darüber hinaus, dass die Brennzone (Glutbett) scharf begrenzt und vergleichsweise klein bzw. schmal bleibt. Erreicht wird dies durch die seitliche Verbrennungsluftzufuhr, die während des gesamten Abbrandvorgangs gezielt in den Bereich unmittelbar über dem Glutbett erfolgt. Die scharfe Begrenzung der Verbrennungszone ohne wesentliche Erwärmung des Brennstoffvorrats vermeidet auch weitgehend das Entstehen von Zersetzungs- und Schwelgas und führt damit zu einer sehr hygienischen Verbrennung, wobei der CO-Anteil, wie Versuche ergeben haben, deutlich unter 0,5 Vol.-% bleibt. Soll eine besonders schmale und scharf begrenzte Verbrennungszone gewährleistet werden, dann ist es vorteilhaft, mit sehr feinen Verbrennungsluftstrahlen zu arbeiten, dabei aber die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft mechanisch durch Druck- und Saugwirkung zu erhöhen.
Zwar war es aus der DE-C-33 292 und der DE-A-3 142 394 bereits bekannt, Verbrennungsluft von der Seite her zuzuführen und dem Glutbett nachzuführen, jedoch erfolgte dabei der Abbrandvorgang von dem dem Abgasauslass entfernten Ende des Stapels aus, mit der Folge, dass die heissen Abgase die noch nicht entzündeten Bereiche des Stapels durchströmen müssen, was der Aufgabe vorliegender Erfindung, nämlich einen unkontrollierten Durchbrand des Stapels zu vermeiden, gerade entgegenwirkt. Schliesslich war es aus der DE-A-2 804 968 bei einem Heizkessel mit oberem Abgasauslass und Abbrand von oben nach unten bekannt, mittels eines verschiebbaren Rohres die Verbrennungsluft von oben her auf den Stapel zu leiten und das Rohr dem fortschreitenden Abbrand des Stapels nach unten nachfolgen zu lassen, jedoch erfordert dieses Anblasen des Glutbettes von oben her, also entgegengesetzt der Richtung der über einen Ringspalt entweichenden Abgase, die Überwindung des dadurch entstehenden Gegendrucks und zwingt zur mechanischen Verbrennungsluftzuführung (Druckluft) mit vergleichsweise hohem Druck. Damit aber werden heisse Schwelgase im Stapel nach unten gedrückt, was nicht nur zu einer Verteerung des unteren Brennraumbereiches führt, sondern insbesondere zu einem unkontrollierten Abbrand infolge einer Entzündung des Brennstoffes durch die erwähnten Schwelgase. Auch ist dieses bekannte Verfahren infolge seines mechanischen Aufwands (Steuerung der Absenkung des Rohrs, zwingend erforderliche Druckluft) nicht für Einzelfeuerstätten geeignet.
Weitere zweckmässige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
In Fig. 1 ist mit 10 das Ofengehäuse bezeichnet, das vorzugsweise zumindest zum Teil aus einem Material hoher Wärmekapazität besteht, etwa Keramik (Kacheln) oder Gusseisen. Im Gehäuse 10 befindet sich ein vertikaler Feuerungsschacht 11, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel einen rechteckigen Querschnitt hat. Der Boden des Schachts 11 wird durch einen Rost 12 gebildet, unter welchem sich ein dichter Aschenraum 13 mit Aschentür 14 befindet. Mit 15 ist eine ins Freie führende Öffnung des Aschenraums 13 bezeichnet, die eine ganz bestimmte, später noch zu erläuternde Grösse besitzt. An seiner Oberseite ist der Feuerungsschacht 11 offen und steht mit seitlichen Sturzzügen 16 und 17 in Verbindung. Am strömungsmässigen Anfang der Sturzzüge 16 und 17 befinden sich Sekundärluftöffnungen 18 und 19, die über vertikale, an den Wänden des Feuerungsschachts 11 hochgeführte Vorwärmkanäle mit Luft versorgt werden. In der auf der Zeichnung dem Betrachter zugewandten Rückwand des Feuerungsschachts 11 sind in drei unterschiedlichen Höhen jeweils fünf, in einer Horizontalreihe angeordnete Verbrennungsluft-Öffnungen vorgesehen, nämlich eine obere Reihe von Verbrennungsluft-Öff-. nungen 22a, eine mittlere Reihe von Verbrennungsluft-Öffnungen 22b und eine untere Reihe von Verbrennungsluft-Öffnungen 22c. Der Gesamtquerschnitt der fünf Öffnungen einer Reihe ist so bemessen, dass er den Querschnitt der Luftzufuhröffnung 15 wesentlich übersteigt. Schliesslich ist in Fig. 1 mit 23 eine Fülltür bezeichnet.
Die Fig. 2 und 3 zeigen in Einzeldarstellung die Luftzuführungskanäle zu den Verbrennungsluftöffnungen sowie die deren lufteintrittsteuernde Elemente. Dabei ist in Fig. 2 davon ausgegangen, dass - in Abwandlung zu Fig. 1 - der Feuerungsschacht 11 mit vier Reihen von Verbrennungsluftöffnungen versehen ist, also mit Öffnungen 22a, 22b, 22c und 22d. Zu jeder dieser Öffnungsreihen führt nun ein gesonderter Luftkanal 24a, 24b, 24c bzw. 24d. Die Lufteintritte zu diesen vier Kanälen liegen nebeneinander und werden durch Öffnungen 25a, 25b, 25c und 25d begrenzt, die in einer feststehenden Abdeckscheibe 26 vorgesehen sind. Auf der Abdeckscheibe 26 sitzt koaxial auf einer Welle 27 eine um diese Welle verdrehbare Verstellscheibe 28, wie dies aus Fig. 3 hervorgeht. Die Verstellscheibe 28 weist eine mit den Öffnungen der Abdeckscheibe 26 korrespondierende Verstellöffnung 29 auf. Eine Bimetallfeder 30 ist einerseits mit der Welle 27 und andererseits mit der Scheibe 28 verbunden. Schliesslich sitzt auf der Welle 27 ein Stellsektor 31, wobei ein thermisches Verstellglied einerseits mit der Verstellscheibe 28 und andererseits dem Stellsektor 31 verbunden ist.
In der Praxis haben Abdeckscheibe 26 und Verstellscheibe 28 im wesentlichen den selben Durchmesser. Die Öffnungen 25 der Abdeckscheibe 26 korrespondieren derart mit der Verstellöffnung 29 der Verstellscheibe 28, dass - je nach Drehstellung der Scheibe 28 - jeweils der Lufteintritt zu einem der Kanäle 24 voll bzw. zu zwei benachbarten Kanälen entsprechend teilweise (stufenloser Übergang von einem zum anderen Kanal) geöffnet ist. Das Verdrehen der Verstellscheibe 28 besorgt dabei die Bimetallfeder 30, die so an der Scheibe 28 angebracht ist, dass bei kalter Feder 30 der Lufteinlass zum Kanal 24a für die oberste Öffnungsreihe 22a geöffnet und alle anderen Lufteinlässe geschlossen sind, wohingegen mit sich erwärmender Bimetallfeder der Reihe nach eine Verschiebung des Lufteintritts stufenlos vom Kanal 24a zum Kanal 24b, zum Kanal 24c und schliesslich zum Kanal 24d erfolgt, und zwar unter jeweiliger Schliessung der anderen Kanäle. Andererseits ist es mittels des thermischen Stellglied 32 möglich die Lage des Stellsektors 31 zur Verstellöffnung 29 festzulegen. Durch Nicht-Überdeckung oder teilweise Überdeckung legt somit der Stellsektor 31 die Gesamtgrösse der Verstellöffnung 29 fest und damit die Gesamtmenge an dem Verbrennungsschacht 11 zuzuführender Verbrennungsluft. Dabei entspricht die Nicht-Überdeckung einer vollen Heizleistung des Geräts, eine Teil-Überdeckung einer verminderten Heizleistung. Eingestellt kann dies vom Benutzer der Feuerstätte durch Betätigen des Stellglieds 32 werden, beispielsweise über einen an der Gehäuseaussenseite befindlichen, mit dem Stellglied 32 verbundenen Schaltknebel. Dafür, dass diese Einstellung nicht durch unterschiedliche Heizqualitäten des Brennstoffs, unterschiedliche Zugbedingungen und dergleichen verändert wird, sorgt das auf Wärme ansprechende thermische Stellglied 32 automatisch. Selbstverständlich ändert sich die vom Stellglied 32 bestimmte Öffnungsweite der Verstellöffnung 29 durch von der Bimetallfeder 30 bewirkte Drehungen der Verstellscheibe 28 nicht.
Die Feuerstätte arbeitet folgendermassen. Zunächst wird durch die Fülltür 23 Holz in den Feuerungsschacht eingebracht, bis dieser vollständig gefüllt ist. Dann wird der Holzstapel an seiner oberen Oberfläche angezündet, wobei zum Erleichtern des Anzündvorgangs die Aschentür 14 offengelassen werden kann. Nach erfolgtem Anzündvorgang werden die Fülltür 23 und die Aschentür 14 geschlossen. Eine Zufuhr von Verbrennungsluft zu dem sich an der Stapeloberseite ausbildenden Glutbett erfolgt durch die Öffnungen 22a, weil im kalten Zustand die Bimetallfeder 30 die Verstellscheibe 28 in einer solchen Drehstellung hält, dass lediglich die Luftzufuhr zum Kanal 24a geöffnet ist, wohingegen die Zufuhr zu den Kanälen 24b und 24c geschlossen ist. Zwar dringt auch noch durch die Öffnung 15 des Aschenraums 13 Luft ein und gelangt durch den Holzstapel hindurch bis zu dem Glutbett, jedoch ist infolge der Kleinheit der Öffnung 15 diese Luftmenge sehr gering und dient lediglich dazu, die Schwelgase in der Schwebe zu halten, also ein Absinken derselben zu verhindern. Die Verbrennungsgase treten in die Sturzzüge 16, 17 ein und strömen in diesen nach unten, wobei ihnen durch die Sekundärluft-Öffnungen 18 und 19 erwärmte Sekundärluft zum Zweck einer Nachverbrennung zugemischt wird.
Mit fortschreitendem Abbrand sinkt das Glutbett langsam nach unten, mit der Folge, dass der Bimetallfeder 30 mehr Wärme zugeführt wird und diese die Verstellscheibe 28 langsam dreht. Die Folge davon ist, dass die Öffnungen 25a der Abdeckscheibe 26 des Kanals 24a geschlossen und gleichzeitig die Öffnungen 25b des Kanals 24b geöffnet werden. Dies bedeutet aber, dass die Verbrennungsluftzufuhr mit sinkendem Glutbett kontinuierlich von der Öffnungsreihe 22a zur Öffnungsreihe 22b übergeht, so dass der Bereich unmittelbar über bzw. um das Glutbett herum, und nur dieser Bereich, mit Verbrennungsluft aus den Öffnungen 22 versorgt wird. Mit weiterem Abbrand und damit Absinken des Glutbetts schliessen sich dann der Reihe nach auch die Zuführöffnungen zu den Öffnungen 22b, und die Zuführöffnungen zu den Öffnungen 22c öffnen sich, bis schliesslich nur noch eine Verbrennungsluftzufuhr durch die Öffnungen 22c erfolgt und das Glutbett in den Bereich des Rostes 12 abgesunken ist.
Auf die beschriebene Weise wird ein sehr gleichmässiger und hygienischer Abbrand des gesamten im Schacht 11 befindlichen Holzstapels erreicht, wobei die Qualität des Abbrands noch dadurch positiv beeinflusst wird, dass die Verbrennungsluft in den Kanälen (24) vorerwärmt wird. Die Gesamtmenge an den Zuführkanälen (24) zuzuführender Luft wird durch das Stellglied 32 bzw. den Stellsektor 31 geregelt, womit eine kontinuierliche Verstellung zwischen minimaler und maximaler Heizleistung möglich ist. Die gesamte Abbranddauer hängt zum einen von der Menge des aufgegebenen Brennstoffs also auch von der Grösse des Schachts 11 und zum anderen von der Einstellung der Verstellklappe und der Verstellöffnung ab. Lediglich als Beispiel sei angegeben, dass bei einer Schachthöhe von etwa 100 cm und einem Schachtquerschnitt von etwa 800 cm2 je nach Leistungseinstellung eine Abbranddauer von 5-20 Stunden erreichbar ist.
Die Erfindung kann selbstverständlich zahlreiche Abwandlungen erfahren. Dies betrifft insbesondere die Zahl und Anordnung der Verbrennungsluftöffnungen 22. Anzustreben wäre, sowohl in der Horizontalen als auch in der Vertikalen möglichst viele gesondert schaltbare Öffnungen anzubringen, um so zum einen eine möglichst gleichmässige Versorgung des Glutbetts von allen Seiten her mit Verbrennungsluft zu erhalten und zum anderen dem Absinken des Glutbetts stufenlos folgen zu können. In der Praxis jedoch werden bei einer Höhe des Feuerungsschachts von etwa 100 cm etwa 3-5 Öffnungsreihen genügen, und zwar an einer Schachtseitenwand. Zur Verbesserung der Kontinuität ist es aber auch möglich, die Reihen schräg anzuordnen, derart, dass sich die unterste Öffnung der obersten Reihe nur unwesentlich über der höchsten Reihe der nächstfolgenden Reihe befindet usw. In ähnlicher Weise ist es auch möglich, die Abdeckscheibe mit mehreren Einlassöffnungen je Kanal zu versehen, oder zur Erzielung einer stufenlosen Regelung Einlassschlitze anzubringen. Dabei muss das Regelorgan keine Lochscheibe sein, sondern kann auch in anderer Weise konstruktiv ausgebildet werden. Der Antrieb der Lochscheibe kann manuell erfolgen, wobei es dann zweckmässig ist, den Feuerungsschacht und das Ofengehäuse mit Blickfenstern zu versehen. Wird, was selbstverständlich vorteilhaft ist, die Lochscheibe selbsttätig verstellt, dann eignen sich neben Bimetallfedern auch andere Wärmefühler, die auf Wärmeübertragung, Konvektion oder Strahlung ansprechen. Auch Uhrwerke sind denkbar, insbesondere wenn ihr Zeitablauf mit dem Regelorgan für die Klein-Grossstellung gekoppelt ist.
Um eine besonders scharf abgegrenzte Brennzone sicherzustellen, ist es vorteilhaft, die Verbrennungsluftöffnungen möglichst klein zu machen und die Verbrennungsluft in vergleichsweise scharfen Strahlen hoher Luftgeschwindigkeit dem Glutbett zuzuführen. In diesem Fall ist es dann zweckmässig, der Verbrennungsluftzuführung ein Druckgebläse vorzuschalten oder dem Ofen ein Sauggebläse nachzuschalten. Dabei können die kleinen Verbrennungsluftöffnungen des Feuerungsschachts als Düsen ausgebildet sein, die waagrecht oder geringfügig nach oben geneigt sind. Schliesslich ist darauf hinzuweisen, dass der Ofenbeliebige Grösse haben kann, also durchaus auch Feuerungsschächte einer Höhe von mehreren Metern möglich ist, die beispielsweise zwei Stockwerke des Aufstellungsgebäudes durchsetzen.
Selbstverständlich kann die Feuerstätte - wenn erwünscht - auch nach dem Durchbrandprinzip betrieben werden, beispielsweise in dem Fall, dass die Holzfüllung bereits nahezu vollständig abgebrannt ist und eine Verlängerung der Wärmeabgabe erforderlich wird; hier kann dann über die Fülltür Holz nachgefüllt werden, das sich an dem bereits in der Nähe des Rostes befindlichen Glutbett entzündet und abbrennt, wobei nur die unterste Reihe von Verbrennungsluftöffnungen offen ist und bleibt, mit der Folge eines Durchbrands. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, auch die Sekundärluft-Zumischung zu den Abgasen zu verbessern. Mit fortschreitendem Abbrand und damit sinkendem Glutbett entfernt sich dieses immer weiter von den Sekundärluftöffnungen 18, 19, mit der Folge, dass kaum mehr eine Nachverbrennung der Abgase stattfindet, die Sekundärluft also nur noch eine Abgasverdünnung herbeiführt. Andererseits aber befinden sich die Verbrennungsluft-Öffnungen die sich inzwischen beträchtlich oberhalb des Glutbetts befinden und deshalb gemäss der beschriebenen Betriebsweise keine Luft mehr zuführen, an einer Stelle, die für das Zuführen von Sekundärluft geeignet wäre. Es ist deshalb auch möglich, mit sinkendem Glutbett zwar die Luftzuführung zu der entsprechenden Reihe von Verbrennungsluftöffnungen, beispielsweise der Öffnungsreihe 22b, zu öffnen, anstelle deren damit korrespondierenden Sperrung der Luftzufuhr zur Öffnungsreihe 22a dagegen die Öffnungen 18, 19 zu schliessen und die Öffnungsreihe 22a teilweise d.h. mit dem korrespondierenden Querschnitt der Öffnungen 18 und 19 offen zu lassen. In diesem Fall übernimmt die aus den Öffnungen 22a ursprünglich als Verbrennungsluft austretende Luft nunmehr die Funktion der Sekundärluft. Bei noch weiterem Absinken des Glutbetts und damit Öffnen der Verbrennungsluft-Öffnungen 22c wird die Öffnungsreihe 22a geschlossen und ein Teilquerschnitt der Öffnungsreihe 22b geöffnet. Soll die Feuerstätte auch mit Brennstoff-Teilfüllungen betrieben werden, dann kann zusätzlich ein Füllgradanzeiger zur manuellen Voreinstellung auf Teilfüllung vorgesehen sein, um zu erreichen, dass die Verstellscheibe eine derartige Voreinstellung erhält, dass beim Anzünden (kaltes Gerät) bereits eine untere, der Füllhöhe angepasste Reihe von Verbrennungsluft-Öffnungen offen ist.