Vorrichtung zum Verbrennen von festen Brennstoffen

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verbrennung von festen Brennstoffen, insbesondere einen Kamin- oder Kachelofen, einen Kamineinsatz oder dergleichen, mit einem an einem Verbrennungsluftanschluss 2 sowie eine Abgasführung 3 angeschlossenen Brennraum 1, wobei der Verbrennungsluftanschluss 2 zur Zuführung von primärer und sekundärer Verbrennungsluft in den Brennraum 1 ausgebildet ist, eine Einrichtung zur Erfassung von Betriebsparametern des Verbrennungsprozesses vorgesehen und die Verbrennungsluftzufuhr in Abhängigkeit der erfassten Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses veränderbar ist. Um einen vergleichmäßigten Verbrennungsprozess automatisiert realisieren zu können, zeichnet sich die Vorrichtung dadurch aus, dass die Einrichtung zur Erfassung von Betriebsparametern des Verbrennungsprozesses als Steuermodul 17 ausgebildet ist und mit einer motorisch betätigbaren, von dem Steuermodul 17 regelbaren Einstellvorrichtung 8 zur Veränderung der Verbrennungsluftzufuhr verbunden ist und die primäre und die sekundäre Verbrennungsluftzufuhr jeweils in Abhängigkeit der erfassten Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses über das Steuermodul 17 von der Einstellvorrichtung steuerbar sind (Fig. 1).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verbrennen von festen Brennstoffen, insbesondere einen Kamin- oder Kachelofen, Kamineinsatz oder dergleichen, mit einem an einen Verbrennungsluftanschluss sowie eine Abgasführung angeschlossenen Brennraum, wobei der Verbrennungsluftanschluss zur Zuführung von primärer und sekundärer Verbrennungsluft in den Brennraum ausgebildet, eine Einrichtung zur Erfassung von Betriebsparametern des Verbrennungsprozesses vorgesehen und die Verbrennungsluftzufuhr in Abhängigkeit der erfassten Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses veränderbar ist.

[0002] Feuerungsanlagen wie Kaminanlagen, Kachelöfen, Kaminöfen oder dergleichen werden meist chargenweise mit Brennstoffen wie Holz in stückiger oder gepresster Form, Stroh oder anderen nachwachsenden Brennstoffen oder auch mit Kohlebrennstoffen befeuert. Mit Biomasse, also vorwiegend mit Holz, betriebene Feuerungsanlagen leisten den größten Beitrag zur Nutzung regenerativer Energien. Aus diesem Grunde und auch aufgrund der damit erreichbaren Verbesserung der Wärmeversorgungssicherheit in Privathaushalten erfreuen sich solche Feuerungsanlagen bzw. Vorrichtung zum Verbrennen von festen Brennstoffen zunehmender Beliebtheit.

[0003] In vielen Anwendungsfällen werden solche Vorrichtungen als Einzelfeuerstätten vorgesehen, bei denen die Verbrennung ohne Gebläseunterstützung abläuft und die Verbrennungsluftzufuhr und die Abgasableitung mithilfe des natürlichen Schornsteinzuges bewerkstelligt wird. Solche Feuerstätten können vorteilhafterweise ohne elektrische Hilfsenergie betrieben werden.

[0004] Insbesondere chargenweise beschickte Vorrichtungen zum Verbrennen von festen Brennstoffen geben die Wärme üblicherweise nicht gleichmäßig über eine längere Zeit ab, sondern erzeugen nach einer Anbrennphase mit eher schwacher Wärmeabgabe während einer begrenzten Zeitspanne eine hohe Wärmemenge. Dieser Phase folgt eine Ausbrandphase, während der die Wärmeabgabe allmählich abnimmt. Entsprechend der Verbrennungsgeschwindigkeit und damit entsprechend der Wärmeerzeugung kann die Temperatur im Brennstoffglutbett variieren und darüber hinaus auch die Abgastemperatur. Die Glutbetttemperatur ist allerdings ein entscheidender Faktor für die Verbrennungsqualität. Zu geringe Temperaturen im Gutbett führen zu unvollständiger Verbrennung und damit zu erhöhten Emissionen an Kohlenmonoxid und verbrannten Kohlewasserstoffen oder auch Ruß. Neben der schädlichen Wirkung solcher Abgase tritt als weiterer unerwünschter Effekt die unvollständige Ausnutzung des Brennstoffes hinzu. Zwar sind hohe Verbrennungstemperaturen für eine vollständige Verbrennung und damit optimale Ausnutzung der im Brennstoff gespeicherten chemischen Energie vorteilhaft. Allerdings führen zu hohe Verbrennungstemperaturen zu thermischer Stickoxidbildung, d.h. zu einer Umwandlung des in der Verbrennungsluft enthaltenen Stickstoffs zu Stickstoffoxiden. Um diesen Schadstoff zu vermeiden, sollte die Glutbetttemperatur einen bestimmten Maximalwert nicht überschreiten.

[0005] Der Verlauf der Abgastemperatur spiegelt den Fortschritt des Abbrandes wieder. Andererseits ist die erhöhte Temperatur des Abgases ursächlich für den Schomsteinzug und stellt damit den Antrieb für die Verbrennungsluft- und Abgasförderung zur Verfügung. Nach dem Anbrennen ist es wichtig, möglichst rasch ausreichend hohe Temperaturen zu erreichen. Dies ist einerseits wichtig, um die Startphase mit geringen Verbrennungstemperaturen und damit die Gefahr einer unvollständigen Verbrennung möglichst gering zu halten. Andererseits stellt sich erst bei ausreichend hoher Abgastemperatur ein für eine gute Verbrennung ausreichender Schornsteinzug ein.

[0006] In der Hauptbrandphase steigen die Abgastemperaturen je nach Bauweise der Feuerstätte erheblich an. Dadurch wird die Luftzufuhr in den Brennraum weiter erhöht und führt zu einer noch schnelleren Verbrennung mit entsprechend noch höherer Wärmeerzeugung. Auf diese Weise können Verhältnisse entstehen, die zu einem immer stärkeren Entfachen des Feuers führen, wodurch der Brennstoff unter kurzzeitig sehr hoher Wärmeabgabe in kurzer Zeit abbrennt.

[0007] Um auf diese verschiedenen Verbrennungsphasen einzuwirken, wäre es erforderlich, dass eine Bedienperson auf den Verbrennungsprozess in geeigneter Weise einwirkt, was jedoch bei bislang bekannten Feuerungsanlagen nicht in optimaler Weise durchgeführt werden kann. Bei bekannten Vorrichtungen zum Verbrennen von festen Brennstoffen sind in der Regel Einstellmöglichkeiten vorgesehen, um den Querschnitt der Verbrennungsluftzuführung zu verkleinern. Darüber hinaus ist bekannt eine gestufte Verbrennungsluftzufuhr vorgesehen, mit denen ein Teil der Verbrennungsluft als Primärluft direkt in das Glutbett eingedüst wird und ein anderer Teil als Sekundärluft oberhalb des Glutbettes zugeführt wird, um diese Sekundärluft mit den Verbrennungsgasen zu vermischen und dadurch eine vollständige Nachverbrennung sowie eine verbesserte Verbrennungsgüte zu erreichen, wodurch auch die Schadstoffemission zu verringern sind.

[0008] Solche Einstelleinrichtungen werden üblicherweise von Hand betätigt und sind somit während des Abbrandes von der Bedienperson jeweils passend zur Abbrandphase einzustellen. Dies ist von einer ungeübten Bedienperson jedoch nicht zu vollziehen.

[0009] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Verbrennen von festen Brennstoffen zur Verfügung zu stellen, mit der eine Vergleichmäßigung des Verbrennungsvorganges während der Verbrennung vorzusehen ist.

[0010] Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich die Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch aus, dass die Einrichtung zur Erfassung von Betriebsparametern des Verbrennungsprozesses als Steuermodul ausgebildet ist und mit einer motorisch betätigbaren, von einem Steuermodul regelbaren Einstellvorrichtung zur Veränderung der Verbrennungsluftzufuhr verbunden ist und dass die primäre und die sekundäre Verbrennungsluftzufuhr jeweils in Abhängigkeit der erfassten Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses über das Steuermodul von der Einstellvorrichtung steuerbar sind.

[0011] Damit ist eine Vorrichtung zum Verbrennen von festen Brennstoffen zur Verfügung gestellt, mit der sowohl die Verbrennungsqualität als auch die Schadstoffemission und die Ausnutzung des Brennstoffes wesentlich zu verbessern sind, indem der Betreiber nicht mehr manuell Einstellungen an der Feuerungsstätte vornehmen muss, sondern über die Einrichtung zur Erfassung von Betriebsparametern verbrennungsspezifische Werte wie die Abgastemperatur und/oder die Glutbetttemperatur und/oder das stöchiometrische Luftverhältnis im Abgas oder sonstige Werte zu ermitteln und für eine Steuerung der motorisch betätigbaren Einstellvorrichtung von dem Steuermodul im Automatikbetrieb umzusetzen sind. Hierbei können entsprechende Sollwerte vorgegeben werden, die mit den von der Einrichtung zur Erfassung von Betriebsparametern gelieferten Ist-Werten verglichen werden, so dass die Verbrennungsluftzufuhr, und zwar sowohl die primäre als auch die sekundäre entsprechend gesteuert werden kann.

[0012] Darüber hinaus sieht die Erfindung vor, dass zusätzlich ein manuell bedienbarer Stellhebel vorgesehen ist, mit dem auf herkömmliche Art und Weise der Benutzer auf den Verbrennungsvorgang Einwirkung nehmen kann, indem er die Einstellvorrichtung manuell betätigt. Dies ist insbesondere auch dann wichtig, wenn beispielsweise ein Stromausfall vorliegt, wonach dann mittels des manuellen Stellhebels die Verbrennungsluftzufuhr gesteuert werden kann. Im automatischen Betrieb dient der Stellhebel als Anzeigevorrichtung für die jeweilige Einstellung der Verbrennungsluft und ermöglicht dem Betreiber somit die Funktion der automatischen Verbrennungslufteinstellung zu überwachen, Es ist zudem möglich, für die automatische Verbrennungslufteinstellung z.B. auch das Öffnen einer Brennraumtür zu berücksichtigen oder auch zu verarbeiten, dass Brennstoff nachgelegt wird.

[0013] Insbesondere wird durch die Erfindung der Benutzerkomfort erheblich verbessert. Eine lange gleichmäßige Wärmeabgabe kann sichergestellt werden und darüber hinaus kann eine erhebliche Wirkungsgradverbesserung erreicht werden, so dass eine bessere Wirtschaftlichkeit vorliegt, eine erhöhte Schadstoffemission vermieden wird und darüber hinaus auch Bedienfehler ausgeschlossen werden können, die zu einer Überhitzung, einer Scheibenverrußung, einer Schornsteinversottung, einer Brennstoffverschwendung und zu hohen Emissionen führen können.

[0014] Wesentliche weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 1 bis 20 angegeben.

[0015] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die nachfolgende Beschreibung und die Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1

in einer Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Verbrennen von festen Brennstoffen,

Fig. 2

ein analoges Ausführungsbeispiel zu Fig. 1 als Prinzipdarstellung, und

Fig. 3

ein Ausführungsbeispiel einer Einstellvorrichtung zur Veränderung der Verbrennungsluftzufuhr.

[0016] In der Zeichnung sind grundsätzlich gleichwirkende Teile mit übereinstimmenden Bezugsziffern versehen.

[0017] Allgemein mit 1 ist der Brennraum der Vorrichtung zur Verbrennung von festen Brennstoffen (Feuerungsanlage) beziffert, dem ein Verbrennungsluftkanal 2 zugeordnet ist. Darüber hinaus ist der Brennraum an eine Abgasführung 3 angeschlossen. Der Verbrennungsluftkanal 2, der einen Verbrennungslufftsammler 7 aufweist, hat einen Primärluftkanal 20 mit einer Primärluftklappe 4 und einen der Primärluftklappe 4 zugeordneten Primärluftklappenmitnehmer 5. Darüber hinaus ist der Verbrennungsluftkanal 2 mit einem Sekundärluftkanal 21 und einem Sekundärlufteinlass 19 verbunden. Der Primärlufteinlass ist mit der Bezugsziffer 18 gekennzeichnet. Zwischen dem Verbrennungsluftkanal 2 und dem Primärluftkanal 20 ist ein Primärluftstellglied 22 vorgesehen, welches von einem Steuermodul 17 angesteuert werden kann. Dem Sekundärluftkanal 21 ist ein Sekundärluftstellglied 23 vorgeordnet, das ebenfalls von dem Steuermodul 17 anzusteuern ist.

[0018] Als Besonderheit ist in Fig. 1 eine Ausführung gezeigt, bei der Primär- und Sekundärluft das Verbrennungsluftstellglied miteinander mechanisch gekoppelt sind. Die Verbrennungsluftzufuhr in den Brennraum 1 ist von einer motorisch, vorzugsweise elektromotorisch betätigbaren Einstellvorrichtung 8 (Verbrennungsluftdosierer) zu verändern. Wie im Einzelnen näher Fig. 3 zu entnehmen ist, kann diese Einstellvorrichtung als Drehscheibe ausgebildet sein, die von einem Elektromotor zu verdrehen ist. Die Drehscheibe ist mit geöffneten Segmenten ausgestattet und öffnet oder schließt je nach Winkelposition Kanäle für die gesamte Verbrennungsluft. Die Verzweigung in Primär- und Sekundärluft liegt erst in Strömungsrichtung hinter diesem Verbrennungsluftdosierer 8. Die Drehscheibe des Verbrennungsluftdosierers ist mit einem Primärluftklappenmitnehmer 6 ausgestattet, über den die Primärluftklappe in Abhängigkeit der Stellung der Drehscheibe 8 verschwenkt wird und somit der Weg für die Primärluft geöffnet oder geschlossen wird. Auf diese Weise kann das optimale Verhältnis von Primär- und Sekundärluft mit nur einer Bewegung eingestellt werden.

[0019] Die Brennraumtür des Brennraumes 1 trägt die Bezugsziffer 9. Zur motorischen Betätigung der Einstellvorrichtung 8 zur Veränderung der Verbrennungsluftzufuhr ist in den genannten Ausführungsbeispielen ein Stellmotor 10 vorgesehen, der an Halterungen 11.1 und 11.2 festgelegt ist.

[0020] Um auch noch manuell auf die Verbrennungsluft einwirken zu können, ist ein Stellhebel 13 vorgesehen, der im automatischen Betriebsmodus als Positionsanzeige für die Einstellvorrichtung 8 dient.

[0021] Nicht näher dargestellt sind magnetische Kupplungen und ein Permanentmagnet, die so zu betätigen sind, wie dies in den Ansprüchen 6 und 7 angegeben ist. Um verschiedene verbrennungsspezifische Parameter zu erfassen, ist ein Abgastemperatursensor 14, ein Abgassensor 15 (z.B. eine Lambda-Sonde) und ein Glutbetttemperatursensor 16 sowie ein Türsensor 25 vorgesehen. Diese sind alle mit dem Steuermodul 17, dass die Einrichtung zur Erfassung von Betriebsparametern des Verbrennungsprozesses beinhaltet, verbunden.

[0022] Im Rahmen der Erfindung ist es selbstverständlich auch möglich, auf einzelne solcher Sensoren zu verzichten, und auch weniger Betriebsparameter zu verarbeiten.

[0023] Aufgrund der erfassten Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses wird von dem Steuermodul anhand vorgebbarer Sollwerte die Verbrennungsluftzufuhr über die Einstellvorrichtung 8 gesteuert, und zwar sowohl für die Zuführung von primärer Verbrennungsluft als auch für die Zuführung von sekundärer Verbrennungsluft für die Nachverbrennung, so dass insgesamt ein vergleichmäßigter Verbrennungsprozess darzustellen ist, ohne dass der Benutzer auf die Verbrennungsluftzufuhr einwirken kann, womit die wohlbekannten Risiken einer Fehlbedienung ausgeschlossen werden können. Im Störfall kann er selbstverständlich über den Stellhebel die Verbrennungsluftzufuhr dann seinerseits verändern. Ebenfalls ist es möglich, über das Steuermodul einen Betriebszustand auf den manuellen Betrieb umzustellen.

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Verbrennen von festen Brennstoffen, insbesondere Kamin- oder Kachelofen, Kamineinsatz oder dergleichen, mit einem an einen Verbrennungsluftanschluss (2) sowie eine Abgasführung (3,6) angeschlossenen Brennraum (1), wobei der Verbrennungsluftanschluss (2) zur Zuführung von primärer und sekundärer Verbrennungsluft in den Brennraum (1) ausgebildet, eine Einrichtung zur Erfassung von Betriebsparametern des Verbrennungsprozesses vorgesehen und die Verbrennungsluftzufuhr in Abhängigkeit der erfassten Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erfassung von Betriebsparametern des Verbrennungsprozesses als Steuermodul (17) ausgebildet ist und mit einer motorisch betätigbaren, von dem Steuermodul (17) regelbaren Einstellvorrichtung (8) zur Veränderung der Verbrennungsluftzufuhr verbunden ist und die primäre und die sekundäre Verbrennungsluftzufuhr jeweils in Abhängigkeit der erfassten Betriebsparameter des Verbrennungsprozesses über das Steuermodul (17) von der Einstellvorrichtung (8) steuerbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung (8) einem Primärluftkanal (20) und einem Sekundärluftkanal (21) vorgeordnet und einem Verbrennungsluftsammler (7) zugeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung (8) eine bewegliche Drehscheibe mit Luftöffnungen aufweist, an die sich der Primärluftkanal (20) und/oder der Sekundärluftkanal (21) anschließt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung (8) unter Umgehung der motorischen Betätigung manuell betätigbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung (8) im Störfall wie bei einem Stromausfall selbsttätig eine manuelle Stellvorrichtung (13) freigibt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung (13) für manuellen Betrieb als Positionsanzeige für die Einstellvorrichtung (8) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung (8) einen Elektromotor (10) mit magnetischer Kupplung (12) umfasst, die für den automatischen Betrieb durch einen Permanentmagneten, der durch einen Elektromagneten bewegbar ist, einkuppelbar ist, so dass bei Stromausfall durch den Abfall des Elektromagneten der Permanentmagnet so verschwenkt wird, dass er eine Kupplung (12) für die manuelle Stellvorrichtung (13) freigibt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung einen Elektromotor (10) mit magnetischer Kupplung (12) umfasst, die für den automatischen Betrieb mittels eines Elektromagneten direkt einkuppelbar ist und bei Stromausfall durch den Abfall des Elektromagneten selbsttätig freigegeben wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erfassung von Betriebsparametern die Glutbetttemperatur berücksichtigt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung die Glutbetttemperatur in einem vorgebbaren bestimmten Bereich hält.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Bereich für die Glutbetttemperatur zwischen 600° C und 1.200° C liegt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erfassung von Betriebsparametern die Abgastemperatur erfasst und bearbeitet.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung die Abgastemperatur in einem bestimmten vorgebbaren Bereich zwischen 150° C und 400° C hält.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erfassung von Betriebsparametern des Verbrennungsprozesses den Restsauerstoffgehalt im Abgas erfasst und zur Veränderung der motorisch betätigbaren Einstellvorrichtung (8) berücksichtigt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung (8) den Restsauerstoffgehalt im Abgas in einem bestimmten vorgebbaren Bereich hält und der vorgebbare Bereich für den Lambda-Wert zwischen 1 und 5 liegt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung (8) durch das Öffnen einer Brennraumtür (9) beeinflusst wird.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Türsensor (25) vorgesehen ist, der für die Einstellvorrichtung (8) ein Signal beim Öffnen der Brennraumtür (9) erzeugt.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung (8) eine Einrichtung zur automatischen Erkennung eines Brennstoffnachwählvorganges aufweist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur automatischen Erkennung eines Brandstoffnachfüllvorganges einen Kontaktschalter für die Brennraumtür (1) und einen Temperaturfühler aufweist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Abgasauslass (3) ein Abgassensor (15), insbesondere eine Lambda-Sonde, vorgesehen ist, die mit der Einreichung zur Erfassung von Betriebsparametern und dem Steuermodul (17) verbunden ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale Steuermodul (17) für die Verarbeitung verschiedener Betriebsparameter vorgesehen ist, das an die Einstellvorrichtung (8) zur Veränderung der Verbrennungsluftzufuhr Steuersignale ausgibt, wobei das Steuermodul in Abhängigkeit von vorgebbaren Betriebsparametern einstellbar ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass im zentralen Steuermodul (17) Parametersätze für verschiedene Aufstellsituationen oder Feuerstättentypen hinterlegt sind und nach Bedarf ausgewählt werden können.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale Steuermodul (17) einen separaten Steuerausgang für einen zusätzlichen Stellmotor aufweist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem dem zusätzlichen Steuerausgang des zentralen Steuermoduls (17) zugeordneten Stellmotor eine Drosselvorrichtung im Abgaswerg betätigt wird.

Zeichnung