Feststoff-Heizkessel mit Füllstandssensor

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Heizkessel zur Verbrennung von festen Brennstoffen, gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1.

[0002] Heizkessel bestehen im Wesentlichen aus einem Heizmedium führenden Kesselkörper aus gusseisernen Kesselgliedern oder aus verschweißten Stahlblechen. Dieser beinhaltet einem Füllraum für Brennstoff mit einer oberen oder seitlichen Befüllöffnung, einem Brennrost mit einem darunter angeordnetem Aschekasten. Dabei erfolgt eine pyrolytische Verbrennung oberhalb des Brennrostes und somit an der Unterseite der Brennstoffmenge im Füllraum. Brennstoff rutscht somit laufend durch das Eigengewicht von oben her nach.

[0003] Über eine Heizgasaustrittsöffnung gelangen die Pyrolysegase in eine nachgeschaltete Brennkammer. Die hier entstehenden Verbrennungstemperaturen werden in einem sich anschließenden Wärmetauscher abgebaut, indem die Wärme an das umgebende Heizmedium abgegeben wird. Danach strömen die Heizgase zu einem Abgasstutzen. Weiterhin übernimmt eine Regeleinrichtung die Steuerung des Verbrennungsablaufs und diverse Sicherheitsfunktionen.

[0004] Zur Verbrennung von festen Brennstoffen sind so genannte Feststoffkessel für Scheitholz oder Pelletkessel bekannt. Im ersten Fall dient die Tür lediglich als vorderer oder oberer Abschluss und Zugangsmöglichkeit, und im zweiten Fall nimmt sie einen entsprechenden Pelletbrenner auf. Verbreitet sind spezielle Feststoffkessel mit Feuerungsrosten und jeweils mindestens einem darunter angeordneten Aschekasten.

[0005] Eine automatische Brennstoffzufuhr gehört für Feststoffverbrennungseinrichtungen, wie Heizkessel und Öfen, zum Stand der Technik. Besonders bei Pellet- und Hackschnitzelfeuerung sind lange Betriebszeiten ohne Bedienung möglich. Sogar eine gewichtsgesteuerte Nachführung einer Vielfalt von Festbrennstoffen in eine Brennkammer ist aus der DE 102 07 083 A1 bekannt. Dabei ist die gesamte Brennkammer auf einem Gewichtsmessgerät gelagert. Nachteilig ist bei dieser Konstruktion allerdings die erhebliche Temperaturbelastung aller Bauteile, die Ankopplung aller Komponenten wegen der spezieller Brennkammer-Lagerung sowie deren abgas- und heizgasseitige Abdichtung.

[0006] Die Druckschrift EP 0 168 809 A2 beschreibt einen Fördermechanismus für einen Heizkessel für Feststoffpartikel. Eine Lichtschranke löst bei Unterschreiten einer bestimmten Füllhöhe der Partikel im Brennraum aus und steuert dadurch zeitverzögert eine Förderschnecke zum Nachfüllen an.

[0007] In der Druckschrift US4621583 A wird ein Heizkessel für Festbrennstoff beschrieben, in welchem ein Kamera-System die Verteilung der Partikel auf dem Brennrost bewertet, und abhängig davon die lokale Verbrennungsluftverteilung anpasst.

[0008] Beim Verbrennen von festen Brennstoffen entstehen Asche und Rußpartikel in größeren Mengen und gelangen in den zugeordneten Aschekasten. Daher ist das regelmäßige Entfernen von Asche und Rußpartikeln wichtig. Die Reinigungsintervalle variieren relativ stark ergeben sich aus der Art des Brennstoffes, der Heizkesselgeometrie, der Betriebshäufigkeit und des Brenners. Daher ist es für einen Betreiber einer derartigen Feststoffverbrennungseinrichtung relativ schwer einzuordnen, wann genau eine Reinigung erforderlich ist. Dies hat einen erhöhten Aufwand zur Folge, das heißt einerseits wird eventuell zu oft die Aschelade kontrolliert oder gereinigt und andererseits kann eine Reinigung übersehen werden, so dass dann eventuell zu starke Ablagerungen die Funktionsfähigkeit beeinträchtigen.

[0009] Genauso wird bei derzeitig eingesetzten Scheitholzkesseln der Ladezustand des Brennstoffes nicht erfasst und auch eine Abschätzung des Brennstoffverbrauchs basiert nur auf Beobachtung bzw. auf Erfahrungswerten. Die Information über die eingelegte Menge sowie der zeitliche Brennstoffverbrauch können somit nicht ermittelt werden. Ein Betreiber sucht daher einerseits möglicherweise in zu kurzen Zeitintervallen den Heizkessel auf und legt Brennstoff nach, was eventuell zu einem Überheizen des angeschlossenen Wärmeverbraucherkreislaufes führt. Anderseits kommt es möglicherweise zu Komforteinbußen für einen Nutzer, wenn zu wenig Brennstoff im Füllraum ist und dieser leer brennt. Jeder Eingriff zur Brennstoffbeladung führt in der Regel, wenn auch nur kurzzeitig, zu stärkeren Abgasemissionen.

[0010] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, den Betrieb und die Bedienung von Heizkesseln und Öfen zur Verbrennung von festen Brennstoffen zu optimieren.

[0011] Erfindungsgemäß wurde dies mit den Merkmalen des Schutzanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

[0012] Gekennzeichnet ist ein erfindungsgemäßer Heizkessel durch mindestens einen im oberen Bereich des Füllraumes angeordneten Abstandssensor zur berührungslosen Erfassung des Brennstoff-Füllstandes sowie des zeitlichen Verlaufs des Brennstoff-Füllstandes im Füllraum. Mit dem mindestens einen Abstandssensor wird die Ermittlung des Brennstoff-Füllstandes sowie des zeitlichen Verlaufs des Brennstoff-Füllstandes realisiert, indem ein Abstandssensor ein Signal für eine Füllstandsauswerte- und -anzeigevorrichtung und/oder eine Regeleinrichtung generiert.

[0013] Vorteilhafterweise detektiert der mindestens eine Abstandssensor die Richtung und/oder Laufzeit eines aktiv ausgesandten, am Brennstoff, speziell an dessen Oberseite, reflektierten Signals. Somit können, je nach Füllraumgeometrie und eingesetztem Brennstoff, mehrere parallel eingesetzte Abstandssensoren den Füllstand noch besser erfassen.

[0014] In bevorzugten Ausführungsformen arbeitet daher der mindestens eine Abstandssensor kapazitiv, induktiv oder mittels eines Stereobildes einer elektronischen Kamera. Dabei umfassen die aktiv ausgesandten Messstrahlen eines Abstandssensors Licht, Infrarotstrahlung, Radiowellen, Mikrowellen, Terahertzstrahlung oder Ultraschall. Wird ein kapazitiver Abstandssensor eingesetzt, so arbeitet dieser mit einem elektrischen Wechselfeld.

[0015] Weiterhin weist die Füllstandsauswerte- und -anzeigevorrichtung eine Anzeigeeinheit mit einer optischen, mechanischen und/oder akustischen Signaleinrichtung auf, welche bei einer notwendigen Befüllung des Füllraumes mit Brennstoff anspricht. Diese Anordnung kann unabhängig von einer vorhandenen Regeleinrichtung an einem Heizkessel montiert werden, beispielsweise gut sichtbar am Heizkessel oder sogar in einem Raum im Aufenthaltsbereich eines Nutzers.

[0016] Alternativ oder ergänzend dazu ist in einer vorteilhaften Ausführungsform die Füllstandsauswerte- und -anzeigevorrichtung in eine Anzeigeeinheit einer Regeleinrichtung für den Heizkessel integriert, so dass die Regeleinrichtung das von dem mindestens einen Abstandssensor generierte Signal verarbeitet.

[0017] Mit der erfindungsgemäßen Anordnung werden Betrieb und Bedienung eines Heizkessels oder Ofens zur Verbrennung von festen Brennstoffen optimiert. Das regelmäßig erforderliche Befüllen, aber auch das vom Brennstoffdurchsatz abhängige regelmäßig erforderliche Entleeren des Aschekastens, wird vereinfacht, weil einem Bediener genau der richtige Zeitpunkt für einen Eingriff in den Heizkesselbetrieb signalisiert wird. Daher muss die Befüllöffnung nur noch bei Notwendigkeit, und somit in größeren Zeitintervallen als bisher, geöffnet werden. Die Verschmutzungsgefahr im Aufstellraum minimiert sich dadurch natürlich auch. Generell wird die Bedienungsfreundlichkeit deutlich erhöht, weil für die Bedienung mit der erfindungsgemäßen Funktion keine besonderen Heizgerätekenntnisse erforderlich sind und das Signal auch nicht speziell eingewiesenen Personen eindeutig ist. Beispielsweise kann ein Klartext zum Befüllen auffordern. Diese Meldung wird dann gelöscht, wenn ein manueller Eingriff am Heizkessel oder über den Füllstand die ergänzte Brennstoffmenge erkannt wird.

[0018] Mit der Erfindung werden niedrigere Emissionswerte, insbesondere hinsichtlich unverbrannter Kohlenwasserstoffe, wie CO und NOx, bei der Scheitholzverbrennung gewährleistet. Dies wird dadurch erreicht, dass mit dem Kenntnisstand über den Füllstand des Brennstoffes als auch über zeitlichen Verlauf des Brennstoffvorrats im Füllraum stets ein optimaler Betriebspunkt hinsichtlich Wirkungsgrad und Emissionen angefahren werden kann. Es wird somit erfindungsgemäß ein weiteres Kriterium zum genauen, bedarfsgerechten Ansteuern eines Abgas- und/oder Verbrennungsluftgebläses geschaffen. Kritische Betriebsphasen, wie zum Beispiel Hohlbrände, können über den zeitlichen Brennstoffverbrauch ermittelt werden.

[0019] Außerdem kann mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen eine Fördereinrichtung für Brennstoffe angesteuert werden, die den Füllraum entsprechend versorgt. Durch die Ermittlung des Brennstoffladezustands kann auf Basis einer Wärmebilanzierung dem Betreiber ein optimaler Betrieb vorgeschlagen werden, so dass er hinsichtlich eines ökonomischen und ökologischen Betriebsverhaltens unterstützt wird.

[0020] Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und zeigt in einer einzigen Figur schematisch einen vertikalen Schnitt durch einen mit festen Brennstoffen befeuerten Heizkessel.

[0021] Der Heizkessel besteht im Wesentlichen aus einem Heizmedium führenden Kesselkörper 1, einem Füllraum 2 für Brennstoff 3 mit einer oberen Befüllöffnung 4, einem Brennrost 5 mit einem darunter angeordneten Aschekasten 6, einer Heizgasaustrittsöffnung 7 in eine nicht dargestellte, nachgeschaltete Brennkammer mit einem sich anschließenden Wärmetauscher für das Heizgas sowie einer Regeleinrichtung 8.

[0022] Im oberen Bereich des Füllraumes 2 sind drei Abstandssensoren 9 zur berührungslosen Erfassung des Brennstoff-Füllstandes im Füllraum 2 angeordnet, welche die Richtung und/oder Laufzeit eines aktiv ausgesandten, am Brennstoff 3 reflektierten Signals detektieren und ein Signal für eine Füllstandsauswerte- und -anzeigevorrichtung generieren, welche in der Regeleinrichtung 8 integriert ist.

Ansprüche

1. Heizkessel zur Verbrennung von festen Brennstoffen, mit einem Heizmedium führenden Kesselkörper (1), einem Füllraum (2) für Brennstoff (3) mit einer oberen oder seitlichen Befüllöffnung (4), einem Brennrost (5) mit einem darunter angeordnetem Aschekasten (6), einer Heizgasaustrittsöffnung (7) in eine nachgeschaltete Brennkammer mit einem sich anschließenden Wärmetauscher für das Heizgas sowie einer Regeleinrichtung (8),
gekennzeichnet durch mindestens einen im oberen Bereich des Füllraumes (2) angeordneten Abstandssensor (9) zur berührungslosen Erfassung des Brennstoff-Füllstandes sowie des zeitlichen Verlaufs des Brennstoff-Füllstandes im Füllraum (2).

2. Heizkessel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Abstandssensor (9) zur Generierung eines Signals für eine Füllstandsauswerte- und -anzeigevorrichtung und/oder eine Regeleinrichtung (8) vorgesehen ist.

3. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Abstandssensor (9) die Richtung und/oder Laufzeit eines aktiv ausgesandten, am Brennstoff (3) reflektierten Signals detektiert.

4. Heizkessel nach nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Abstandssensor (9) kapazitiv, induktiv oder mittels eines Stereobildes einer elektronischen Kamera arbeitet, wobei die aktiv ausgesandten Messstrahlen des Abstandssensors (9) Licht, Infrarotstrahlung, Radiowellen, Mikrowellen, Terahertzstrahlung oder Ultraschall umfassen und wobei ein kapazitiver Abstandssensor (9) mit einem elektrischen Wechselfeld arbeitet.

5. Heizkessel nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstandsauswerte- und -anzeigevorrichtung eine Anzeigeeinheit mit einer optischen, mechanischen und/oder akustischen Signaleinrichtung aufweist, welche bei einer notwendigen Befüllung des Füllraumes (2) mit Brennstoff (3) anspricht.

6. Heizkessel nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstandsauswerte- und -anzeigevorrichtung in eine Anzeigeeinheit einer Regeleinrichtung (8) für den Heizkessel integriert ist und dass die Regeleinrichtung (8) das von dem mindestens einen Abstandssensor (9) generierte Signal verarbeitet.

Claims

1. Boiler for burning solid fuels, having a boiler body (1) carrying heating medium, a filling space (2) for fuel (3) having an upper or side filling opening (4), a grate (5) with an ash box (6) arranged underneath, a heating gas outlet opening (7) into a downstream combustion chamber with an adjacent heat exchanger for the heating gas, and a control device (8),
characterized by at least one distance sensor (9) arranged in the upper region of the filling space (2) for the non-contact detection of the fuel level and the variation over time of the fuel level in the filling space (2).

2. Boiler according to Claim 1,
characterized in that the at least one distance sensor (9) is provided to generate a signal for a level evaluating and indicating device and/or a control device (8).

3. Boiler according to either of Claims 1 and 2,
characterized in that the at least one distance sensor (9) detects the direction and/or transit time of an actively transmitted signal reflected at the fuel (3).

4. Boiler according to Claim 3,
characterized in that the at least one distance sensor (9) operates capacitively, inductively or by means of a stereo image from an electronic camera, the actively transmitted measuring beams from the distance sensor (9) comprising light, infrared radiation, radio waves, microwaves, terahertz radiation or ultrasound, and a capacitive distance sensor (9) operating with an alternating electric field.

5. Boiler according to one of Claims 2 to 4,
characterized in that the level evaluating and indicating device has an indicating unit with an optical, mechanical and/or acoustic signal device which responds in the event that filling of the filling space (2) with fuel (3) is needed.

6. Boiler according to one of Claims 2 to 5,
characterized in that the level evaluating and indicating device is integrated into an indicating unit of a control device (8) for the boiler, and in that the control device (8) processes the signal generated by the at least one distance sensor (9).

Revendications

1. Chaudière servant à brûler des combustibles solides et présentant un corps de chaudière (1) conduisant un fluide caloporteur, un espace (2) de remplissage de combustible (3) qui présente une ouverture supérieure ou latérale (4) d'aération, une grille de combustion (5) en dessous de laquelle est disposé un caisson (6) à cendres, une ouverture (7) de sortie des gaz chauds dans une chambre de combustion raccordée en aval et à laquelle sont raccordés un échangeur de chaleur prévu pour les gaz chauds ainsi qu'un dispositif de régulation (8), caractérisée par
au moins un détecteur de distance (9) disposé dans la partie supérieure de l'espace de remplissage (2) et qui détecte sans contact le niveau de remplissage par le combustible ainsi que l'évolution dans le temps du niveau de remplissage de l'espace de remplissage (2) par le combustible.

2. Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que le ou les détecteurs de distance (9) sont prévus pour délivrer un signal destiné à un dispositif d'évaluation et d'affichage du niveau de remplissage et/ou un dispositif de régulation (8).

3. Chaudière selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le ou les détecteurs de distance (9) détectent la direction et/ou le temps de parcours d'un signal émis activement et réfléchi par le combustible (3).

4. Chaudière selon la revendication 3, caractérisée en ce que le ou les détecteurs de distance (9) travaillent par voie capacitive, inductive ou au moyen d'une image stéréo d'une caméra électronique, les faisceaux de mesure émis activement par le détecteur de distance (9) comprenant de la lumière, un rayonnement infrarouge, des ondes radio, des microondes, un rayonnement de l'ordre des térahertz ou des ultrasons, un détecteur de distance (9) capacitif travaillant avec un champ électrique alternatif.

5. Chaudière selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que le dispositif d'évaluation et d'affichage du niveau de remplissage présente une unité d'affichage dotée d'un dispositif de signalisation optique, mécanique et/ou acoustique qui réagit lorsque l'espace de remplissage (2) doit être rempli par du combustible (3).

6. Chaudière selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que le dispositif d'évaluation et d'affichage du niveau du remplissage est intégré dans une unité d'affichage d'un dispositif de régulation (8) de la chaudière et en ce que le dispositif de régulation (8) traite le signal délivré par le ou les détecteurs de distance (9).

Zeichnung