[0001] Die Erfindung betrifft einen Brenner für einen feststoffbefeuerten Kessel mit einem
Wärmetauscher zur Erhitzung von Wasser und mit einem Brennstofflagerraum und einer
darunter angeordneten, durch den Brenner abgeteilten Verbrennungskammer, wobei der
Brenner aus einem im Kessel horizontal angeordneten Brennerstein mit einer zur Ausbildung
einer Vergasungszone den Brennstofflagerraum mit der Verbrennungskammer verbindenden
Durchbrechung besteht und ein Gebläse dem Brennstofflagerraum Primärluft und dem Brenner
im Bereich der Durchbrechung Sekundärluft geregelt zuführt.
[0002] Derartige Brenner sind bereits bekannt. So ist z.B. ein Brenner für einen feststoffbefeuerten
Stahlkessel vorgeschlagen worden, bei dem der Kessel doppelwandig zur Erhitzung
des zwischen den Doppelwänden fließenden Wassers ausgebildet ist und der Kesselinnenraum
in eine obere, den Feststoff-Brennstoff aufnehmende Zone und eine untere Zone, in
der die Flamme entwickelt wird, geteilt ist, wobei die Brenngase in einem, den so
gebildeten Brennstofflagerraum von der Verbrennungskammer abteilenden Brenner, gebildet
werden. Der Brenner besteht dabei aus einem im Kesselinnenraum horizontal angeordneten
Brennerstein, der eine im wesentlichen langlochförmige Durchbrechung aufweist, wobei
oberhalb der langlochförmigen Durchbrechung in einer Einsatzmulde Einsatzteile ausgebildet
sind, deren entlang der langlochförmigen Durchbrechung angeordnete Ränder ein Profil
aufweisen, um eine Durchströmung der Durchbrechung auch bei auf der Durchbrechung
auflagernden Feststoffkörperbrennstoffen sicherzustellen (EP-A-154956).
[0003] Der bei einem derartigen Kessel eingesetzte Brenner, bei dem im Gegensatz zu den
bekannten Kesseln, die mit einem Rost arbeiten, die Verbrennungsflamme nach unten
gerichtet ist und ein Abzug im Bodenbereich vorgesehen werden kann, hat sich für die
Verbrennung von Festkörperbrennstoffen, insbesondere von großen Holzstücken, als grundsätzlich
gut einsetzbar erwiesen, jedoch haben sich bei der Anwendung auch noch Probleme gezeigt.
[0004] Es hat sich nämlich ergeben, daß bei der Verbrennung der Festkörperbrennstoffe die
Flammfront sich nicht konstant und stationär ausbildet, sondern daß einerseits ein
Eintreten der Flammfront bis weit in den Verbrennungsraum auftreten kann, und daß
andererseits die Flammfront bis in den Verbrennungsraum zurückreicht. Außerdem hat
sich die große Langlochöffnung als unbefriedigend erwiesen, da bei dem Auflegen eines
entsprechend großen, runden Holzstückes längs parallel zur Langlochöffnung diese weitgehend
verschlossen wird, so daß sich die Strömungsverhältnisse gegenüber den vorgesehenen
Verhältnissen derart stark verändern, daß eine geregelte Verbrennung und damit eine
optimale Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Energie zeitweilig nicht mehr auftritt.
[0005] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brenner der eingangs genannten
Art derart weiterzubilden, daß die Strömungsverhältnisse möglichst unabhängig von
der Belegung des Brenners mit Festkörperbrennstoffen wie Holz od. dgl. konstant bleiben,
die Flammfront auf den Austrittsbereich des Brenners konzentriert wird, eine optimale
Verbrennung durch gezielte Zuführung von Sekundärluft in den Flammfrontbereich erreicht
wird und durch Ausbildung einer speziellen Brennkammer im Brenner eine Heiß-Zone geschaffen
wird, in der eine vollständige Oxidation der Brenngase erreicht wird.
[0006] Diese Aufgabe wird durch einen Brenner der eingangs genannten Art gelöst, bei dem
erfindungsgemäß vorgesehen ist, daß die Durchführung zur Abbremsung der Verbrennungsgase
sich in ihrem wirksamen Querschnitt vom Brennstofflagerraum zur Verbrennungskammer
vergrößernd ausgebildet ist.
[0007] Mit einem derartigen Brenner wird eine Beschleunigung der Verbrennungsgase im Eintrittsbereich
erreicht, so daß dort aufliegende Teile der Festkörperbrennstoffe schnell verbrannt
werden und die Öffnung frei bleibt. Gleichzeitig wird eine Abbremsung der Verbrennungsgase
im Brenner erreicht, so daß sich dort eine konzentrierte Flammfront ausbildet.
[0008] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß in der
einen kreisförmigen Querschnitt mit sich vom Brennstofflagerraum zur Verbrennungskammer
verkleinernde Radien aufweisenden Durchbrechung ein Kegelstumpf unter Ausbildung
eines Ringspaltes zwischen der Kegelstumpfoberfläche und der Innenfläche der Durchbrechung
angeordnet ist, wobei sich die Radien des Kegelstumpfes relativ zu den Radien des
kreisförmigen Querschnitts der Durchbrechung vom Brennstofflagerraum zur Verbrennungskammer
stärker verkleinern.
[0009] Durch die Ausbildung eines den voranstehenden Bedingungen genügenden Ringspaltes
ist es möglich, in dem Ringspalt eine ebenfalls ringförmige Flammfront auszubilden,
die durch die kegelige Zuspitzung des Ringspaltes zu einer Konzentration der Flamm-
bzw. der Hitzefront führt.
[0010] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Kegelstumpf
durch mindestens zwei auf der Kegelstumpfoberfläche angeordnete, den Ringspalt übergreifende
und im Randbereich der Durchbrechung aufsetzbare Haltenocken gehalten ist. Durch die
Anordnung der Haltenocken auf der Oberfläche des Brennersteins im Randbereich der
Durchbrechung wird der Kegelstumpf koaxial zur Durchbrechung gehalten, wobei das obere
Ende des Kegelstumpfes auf dem Brennerstein nach oben auskragend ist.Hierdurch ergibt
sich vorteilhafterweise, daß auf den Kegelstumpf aufgelegte Holzstücke entweder horizontal
auf dem Kegelstumpf aufliegen und so die Durchbrechung nicht abdecken oder so abkippen,
daß wiederum eine vollständige Abdeckung der Durchbrechung unmöglich wird. Dieser
Effekt wird noch durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gemäß
Anspruch 8 verstärkt, nach der vorgesehen ist, daß auf der Oberfläche des Brennersteins
Erhebungen in Form von Noppen, Rippen od. dgl. angeordnet sind.
[0011] Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß zur Zuführung
der Sekundärluft in den in der Durchbrechung ausgebildeten Ringspalt die Oberfläche
mit einem im Brennerstein die Durchbrechung ringförmig umgebenden Kanal verbundene
Dürchbrechungen aufweist. Durch diese Anordnung wird die Zuführung von Sekundärluft
genau in den Bereich möglich, in dem sich die Flammfront konzentriert.
[0012] Eine weitere, ganz besonders vorteilhafte Ausführungsform ist derart gestaltet, daß
die Durchbrechung im Bereich ihrer zur Verbrennungskammer gerichteten Öffnung sich
verjüngend und den wirksamen Austrittsquerschnitt verkleinernd ausgebildet ist. Dabei
ist der Kegelstumpf in Bezug auf die Länge der Durchbrechung kürzer ausgebildet, so
daß sich vor der, bezogen auf den Querschnitt der Durchbrechung, kleineren Austrittsöffnung
eine Kammer bildet, die als Wirbelkammer wirkt. In dieser tritt eine optimale Verwirbelung
der durch den Ringspalt eingetretenen Brenngase mit der durch die Durchbrechungen
eingetretenen Sekundärluft ein, so daß eine Heiß-Zone geschaffen wird, in der eine
Temperatur von 1200°C und mehr erreicht wird, so daß eine vollständige Verbrennung
erreicht wird. Bei optimaler Einstellung der Menge der zugeführten Sekundärluft ergibt
sich innerhalb der Wirbelbrennkammer ein gelb-weißes Flammbild, während die Flamme
nach Durchtritt durch die Austrittsöffnung eine weiß-blaue Färbung zeigt. Über die
auch im Bereich der Verbrennungskammer angeordneten Wärmetauscher kann dann die frei
gewordene Wärmeenergie abgeführt werden, so daß in Bezug auf die eingesetzte Menge
des Feststoff-Brennstoffes eine optimale Energieausbeute bei gleichzeitig relativ
sauberen Abgasen erreichbar ist.
[0013] Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
[0014] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen
Fig. 1 in einer schaubildlichen Ansicht einen Brenner mit dem aus der Durchbrechung
herausgenommenen Kegelstumpf mit einer teilweise geschnittenen Darstellung,
Fig. 2 in einer Ansicht von oben den Brenner gemäß Fig. 1 mit eingesetztem Kegelstumpf,
Fig. 3 in senkrechter Schnittdarstellung gemäß Linie III-III in Fig. 2 den Brenner
gemäß Fig. 2,
Fig. 4 in einer durch Linie IV-IV angegebenen Seitenansicht den Brenner gemäß Fig.
2,
Fig. 5 in einer schaubildlichen Ansicht eine weitere Ausführungsform eines Brenners
mit seinen voneinander getrennten Einzelteilen mit einer teilweisen Schnittdarstellung,
Fig. 6 in einer schaubildichen Ansicht den Brenner gemäß Fig. 5 in teilweise geschnittener
Darstellung,
Fig. 7 in einer senkrechten Schnittdarstellung den Brenner gemäß Fig. 5 und
Fig. 8 in schematischer Teilschnittdarstellung einen Kessel mit einem eingesetzten
Brenner.
[0015] Der in den Fig. 1 bis 4 dargestellteBrenner 100 besteht aus einem Brennstein 20,
der eine Einsatzmulde 25a aufweist, in die das Einsatzteil 25 eingesetzt wird. Dabei
wird durch ein oder mehrere Abstandshalter 25b das Einsatzteil 25 in einem Abstand
zum Boden der Einsatzmulde 25a gehalten, so daß der Sekundärluftkanal 52 in der Einsatzmulde
ausgebildet wird.
[0016] In dem Brennerstein 20 und in dem Einsatzteil 25 sind Durchbrechungen so ausgebildet,
daß sich bei eingesetztem Einsatzteil 25 in dem Brennerstein 20 eine durchgehende
Durchbrechung 21 ergibt. Dabei ist im Bereich der Durchbrechung 21 im Einsatzteil
25 an dessen unterer Seite ein mäanderförmiges Profil ausgebildet, so daß das Einsatzteil
25 über die Nocken 23a auf dem Brennerstein 20 auflagert, wobei zwischen den Nocken
23a die Durchbrechungen 23 gebildet sind, die die Verbindung zwischen der Durchbrechung
21 und dem die Durchbrechung 21 ringförmig umgebenden Kanal 24 bilden, so daß sich
ein Luftweg über den Sekundärluftzuführungskanal 52, den ringförmigen Kanal 24 und
die Durchbrechungen 23 in die Durchbrechung 21 für die Sekundärluft ergibt, die aus
den Durchbrechungen 23 im Bereich der Oberfläche 22 der Durchbrechung 21 ausströmt.
[0017] In die Durchbrechung 21, die einen kreisförmigen Querschnitt mit sich vom Brennstofflagerraum
41 zur Verbrennungskammer 42 verkleinernden Radien R 1 aufweist, wird ein Kegelstumpf
30 derart eingesetzt, daß sich zwischen der Kegelstumpfoberfläche 32 und der Innenfläche
22 der Durchbrechung 21 ein Ringspalt 31 für das Einströmen des Verbrennungsgases
ausbildet. Die Radien R2 des Kegelstumpfes 30 verkleinern sich in Richtung zur Verbrennungskammer
42 stärker als die Radien R1 des kreisförmigen Querschnitts der Durchbrechung 21.
Der Kegelstumpf 30 ist dabei durch drei den Ringspalt 31 übergreifende und im Randbereich
der Durchbrechung 21 auf die Oberfläche 26 des Grundkörpers 20a aufsetzbare Haltenocken
33, 34, 35 gehalten.
[0018] Die in den Fig. 5, 6 und 7 dargestellte Ausführungsform des Brenners 200 ist in ihrem
Grundaufbau ähnlich wie die voranstehend beschriebene Ausführungsform, so daß nachstehend
nur die wesentlichen Unterschiede angegeben und beschrieben werden. Der Brenner 200
besteht dabei ebenfalls aus einem Brennerstein 120, der eine Einsatzmulde aufweist,
die im wesentlichen rechteckig ausgebildet ist. Dabei ist im umlaufenden Rand der
Einsatzmulde 125a eine Auflagekante 126 ausgebildet, die zur Auflagerung des Einsatzteiles
125 in einem Abstand zur Bodenfläche der Einsatzmulde 125a dient. Gleichzeitig wird
das Einsatzteil 125 durch ein oder mehrere Abstandhalter 125b in einem Abstand zum
Boden der Einsatzmulde 125a gehalten, so daß zwischen dem Einsatzteil 125 und dem
Boden der Einsatzmulde 125a ein Freiraum bleibt, der den Sekundärluftkanal 52 bildet.
[0019] In dem Brennerstein 120 und dem Einsatzteil 125 sind ebenfalls Durchbrechungen so
ausgebildet, daß sich bei eingesetztem Einsatzteil 125 in dem Brennerstein 120 eine
durchgehende Durchbrechung 121 ergibt. Dabei ist auf dem Boden der Einsatzmulde 125a
ein die Durchbrechung 121 umgebender ringförmiger Körper ausgebildet, der nach oben
auskragende Nocken 123a aufweist, zwischen denen die Durchbrechungen 123 ausgebildet
sind, die die Verbindung zwischen der Durchbrechung 121 und dem die Durchbrechung
121 umgebenden Sekundärluftkanal 152 bilden. Hierdurch ergibt sich ein Luftweg über
den Sekundärluftzuführungskanal 152 und die Durchbrechungen 123 in die Durchbrechung
121 für die Sekundärluft,die aus den Durchbrechungen 123 im Bereich der Oberfläche
122 der Durchbrechung 121 ausströmt.
[0020] Der Kegelstumpf 130, der über die auf der Kegelstumpfoberfläche 132 angeordnete,
den Ringspalt 131 übergreifende und im Randbereich der Durchbrechung 121 auf der Oberfläche
126 des Einsatzteils 125 aufgesetzte Haltenocken 133, 134, 135, 136 in der Mitte der
Durchbrechung 121 gehalten ist, weist eine wirksame Länge L1, das ist die Länge, mit
der der Kegelstumpf 130 in die Durchbrechung 121 hineinragt, auf, die kleiner ist
als die Länge L2 der Durchbrechung 121. Damit ergibt sich unterhalb der Fußfläche
130a des Kegelstumpfes 130 ein Freiraum, der als Wirbelbrennkammer 60 wirkt, wobei
durch die Einziehung 121d in der Öffnung 121c der Durchbrechung 121 eine Umlenkung
der Gasströme derart erreicht wird, daß die über den Sekundärluftkanal 152 zugeführte
Sekundärluft und die über den Ringspalt 131 zugeführten Verbrennungsgase in der Wirbelbrennkammer
60 intensiv miteinander verwirbelt werden, so daß eine intensive Verbrennung eintritt
und ein äußerst heißer Flammstrahl durch die Öffnung 121c gerichtet wird. Dieser Effekt
wird noch dadurch verstärkt, daß sich der Ringspalt 131 nach unten hin in seinem Radius
verringert, so daß der Ringstrom zusammengeführt wird und hierdurch eine zusätzliche
Verwirbelung eintritt. Gleichzeitig wird der wirksame Querschnitt des Ringspaltes
130 vergrößert, da der kreisförmige Querschnitt der Durchbrechung 121 sich vom Brennstofflagerraum
41 zur Verbrennungskammer 42 verkleinernde Radien R1 aufweist, wobei sich die Radien
R2 des Kegelstumpfes 130 relativ zu den Radien R1 des kreisförmigen Querschnitts der
Durchbrechung 121 vom Brennstofflagerraum 41 zur Verbrennungskammer 42 stärker verkleinern.
Dieser Effekt wird noch dadurch verstärkt, daß sich die Radien Rʹ1 im Grundkörper
120a des Brenners 120 gegenüber den Radien R1 im Bereich des Einsatzteiles 125 in
einem Übergangsbereich sprunghaft vergrößern. Durch die kugelkalottenförmig eingezogen
ausgebildete Fußfläche 130a des Kegelstumpfes 130 (Fig. 7) wird ebenfalls eine zusätzliche
Verwirbelung innerhalb der Wirbelbrennkammer 60 erreicht, so daß eine optimale Oxidation
aller oxidierbaren Anteile im eingeströmten Verbrennungsgas durchführbar ist.
[0021] In Fig. 8 ist schematisch ein Kessel 40 dargestellt, in dem ein Brennstein 200 angeordnet
ist, der den im oberen Teil des Kessels ausgebildeten Brennstofflagerraum 41 von der
Verbrennungskammer 42 abteilt. Der in der Zeichnung nicht dargestellte Feststoff-Brennstoff
wird dabei auf der Oberseite 126 des Brenners 200 gelagert, wobei über die Nocken
27 gewährleistet ist, daß die Durchbrechung 121 im wesentlichen brennstofffrei bleibt.
Bei einer Verbrennung bildet sich dann über dem Kegelstumpf 130 ein Glutbereich aus,in
dem die Verbrennungsgase entstehen, die in die Durchbrechung 121 durch den entsprechenden,
in der Zeichnung nicht dargestellten Abzug eingezogen bzw. über die zugeführte Primärluft
eingedrückt werden. Dabei erfolgt eine Versorgung des Brennstofflagerraums mit Primärluft
über den Primärluftkanal 51, der ebenso wie der Sekundärluftzuführungskanal 152 von
einem Gebläse 50 mit Luft versorgt wird. Dabei ergibt sich dann in der Wirbelbrennkammer
60 die voranstehend beschriebene optimale Verbrennung.
[0022] Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die voranstehend beschriebenen und in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsformen.
[0023] Andere geometrische Gestaltungen des Brenners, bei denen im Brenner eine Wirbelbrennkammer
ausgebildet wird, liegen ebenso im Rahmen der Erfindung, wie eine andersartig geführte
Versorgung mit Sekundärluft im Bereich des Brennersteins.
1. Brenner für einen feststoffbefeuerten Kessel mit einem Wärmetauscher zur Erhitzung
von Wasser und mit einem Brennstofflagerraum und einer darunter angeordneten, durch
den Brenner abgeteilten Verbrennungskammer, wobei der Brenner aus einem im Kessel
horizontal angeordneten Brennerstein mit einer zur Ausbildung einer Vergasungszone
den Brennstofflagerraum mit der Verbrennnungskammer verbindenden Durchbrechung besteht
und ein Gebläse dem Brennstofflagerraum Primärluft und dem Brenner im Bereich der
Durchbrechung Sekundärluft geregelt zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrechung(21;
121) zur Abbremsung der Verbrennungsgase sich in ihrem wirksamen Querschnitt vom
Brennstofflagerraum (41) zur Verbrennungskammer (42) vergrößernd ausgebildet ist.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der einen kreisförmigen
Querschnitt mit sich vom Brennstofflagerraum (41) zur Verbrennungskammer (42) verkleinernden
Radien(R₁) aufweisenden Durchbrechung (21; 121) ein Kegelstumpf (30; 130) unter Ausbildung
eines Ringspaltes (31; 131) zwischen der Kegelstumpfoberfläche (32; 132) und der
Innenfläche (22; 122) der Durchbrechung (21; 121) angeordnet ist, wobei sich die Radien
(R₂) des Kegelstumpfes (30; 130) relativ zu den Radien (R₁) des kreisförmigen Querschnitts
der Durchbrechung (21; 121) vom Brennstofflagerraum (41) zur Verbrennungskammer (42)
stärker verkleinern.
3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelstumpf (30;
130) durch mindestens zwei auf der Kegelstumpfoberfläche (32; 132) angeordnete, den
Ringspalt (31; 131) übergreifende und im Randbereich der Durchbrechung (21; 121)
aufsetzbare Haltenocken (33, 34, 35; 133, 134, 135; 136) gehalten ist.
4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung
der Sekundärluft in dem in der Durchbrechung (21; 121) ausgebildeten Ringspalt (31;
131) die Oberfläche (22; 122) mit einem im Brennerstein (20; 120) die Durchbrechung
(21; 121) ringförmig umgebenden Kanal (24; 124) verbundene Durchbrechungen (23; 123)
aufweist.
5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrechungen
(23; 123) in einer horizontalen Ebene kreissymetrisch angeordnet sind.
6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal
(24; 124) mit einem in dem Brennerstein ausgebildeten Sekundärluftzuführungskanal
(52; 152) verbunden ist, der an das außerhalb des Kessels (40) angeordnete Gebläse
(50) angeschlossen ist.
7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß über einen
Primärluftzuführungskanal (51) Primärluft von dem Gebläse (50) in den Brennstofflagerraum
(41) zuführbar ist.
8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der
Oberfläche (26) des Brennersteins (20, 120) Erhebungen in Form von Noppen, Rippen
(27) od. dgl. angeordnet sind.
9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennerstein
(20; 120) aus einem eine Einsatzmulde (25a; 125a) aufweisenden und einen unteren Teil
(21a; 121a) der Durchbrechung (21; 121) ausbildenden Grundkörper (20a; 120a) und einen
in die Einsatzmulde (25a; 125a) unter Ausbildung des Sekundärluftkanals (52; 152)
und eines oberen Teils (21b; 121b) der Durchbrechung (21; 121) eingesetzten Einsatzteils
(25; 125) besteht, wobei der obere Teil (21b; 121b) der Durchbrechung (21; 121) sich
vom Brennstofflagerraum (41) in Richtung zur Verbrennungskammer (42) verkleinernde
Radien (R₁) aufweist, während der untere Teil (21a; 121a) der Durchbrechung (21; 121)
einen in einem Übergangsbereich größeren, bevorzugterweise konstanten Radius (Rʹ₁)
aufweist.
10. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrechung
(21; 121) im Bereich ihrer zur Verbrennungskammer (42) gerichteten Öffnung (121c)
zur Ausbildung einer Wirbelkammer (60) sich verjüngend und den wirksamen Austrittsquerschnitt
verkleinernd ausgebildet ist, wobei der Kegelstumpf (130) eine kleinere, wirksame
Länge (L1) als die Länge (L2) der Durchbrechung (121) aufweist.
11. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelstumpf
(130) im Bereich seiner Fußfläche (130a) kugelkalottenförmig eingezogen ausgebildet
ist.