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Die
Erfindung betrifft eine Feuerungseinrichtung mit einer Brennkammer,
mit einer die Brennkammer umgebenden Wandung, die eine der Brennkammer
zugewandte Innenseite und eine der Brennkammer abgewandte Außenseite
aufweist, mit einem Strömungsweg für die Zufuhr
von Sauerstoff für die Verbrennung zur Brennkammer, und
mit einer Eintrittsöffnung des Strömungswegs der
Zufuhr von Sauerstoff in die Brennkammer.
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Kontinuierlich
betriebene technische Feuerungen besitzen einen Feuerungsraum in
dem eine Verbrennung stattfindet. Dieser Feuerungsraum wird meist
als Brennkammer bezeichnet. Er wird von einer Wandung umgeben, die
zum Einen die Umgebung vor dem Feuerungsvorgang schützt,
zum anderen den Feuerungsvorgang auch konzentriert und lokalisiert
und es schließlich ermöglicht, die an einem dadurch
bestimmbaren Ort entstehende Wärme ebenso wie die entstehenden
Verbrennungsprodukte in bestimmte Richtungen zu leiten.
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Für
den Verbrennungsvorgang wird chemisch betrachtet Sauerstoff benötigt.
Dieser Sauerstoff wird in Form von Frischluft der Verbrennung in dem
Feuerungsraum zugeführt. Diese Frischluft wird auch als
Verbrennungsluft bezeichnet. Meist wird die für die Verbrennung
benötigte Frischluft direkt aus dem Aufstellraum angesaugt,
in dem sich die Feuerung befindet, und wird dann der Verbrennung
zugeführt.
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Bei
diesen Feuerungen gibt es insbesondere zwei Verlustquellen, nämlich
zum Einen den Energieverlust über das erzeugte Abgas und
zum Anderen den Wärmeverlust, der an der äußeren
Oberfläche der Wandung nach außen abgegeben wird.
Da die technischen Feuerungen im Regelfall nicht in Räumlichkeiten
stehen, bei denen die letztgenannten Wärmeverluste wie
bei früher in Wohnräumen stehenden Öfen
zumindest zu Heizzwecken verwendet werden können, wird
versucht, neben einer Reduzierung der Energieverluste durch das
Abgas auch diese Wärmeverluste an der äußeren
Oberfläche durch Wärmeisolierungen möglichst
gering zu halten.
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Die
Temperaturen an der äußeren, der Umgebung zugewandten
Oberfläche der Feuerung können auch bei einem
Einsatz einer thermischen Isolierung recht hoch werden. Man rüstet
daher die Feuerungen mit einem Wassermantel aus, um in diesem Wasser
durch Wärmetausch die Wärmeenergie zu gewinnen,
und so die Verluste an Wärme zugleich zu Heizzwecken zu
nutzen.
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Allerdings
führt ein Verzicht auf einen Wassermantel um die Feuerung
und ihre Wandung herum zu wesentlichen technischen Vereinfachungen, da
dann die Feuerung und ein separater Wasserspeicher mit einem Abgaswärmetauscher
nur verbrennungsgasseitig, nicht jedoch auch wasserseitig verbunden
werden müssen. Allerdings ist bei einem Fortfall des Wassermantels
ein eindeutiger Nachteil, dass für die dann erforderliche
thermische Isolierung und reine Dämmung sehr große
Dämmstärken verwendet werden müssen.
Dies führt zu einem sehr hohen Material- und Platzbedarf,
um die Wärmeverluste gleichwohl gering zu halten. Ein Weglassen
des Wassermantels hat besonders dann Vorteile, wenn die Feuerung
zum Betrieb einer Wärmekraftmaschine eingesetzt werden
soll, etwa zum Betrieb eines Stirlingmotors. In diesem Fall kann
die Verbrennungsenergie so vollständig in den Rauchgasen
verbleiben und der Wärmekraftmaschine zugeführt
werden.
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Auch
bei einem Einsatz mit einem Wassermantel können die Wärmeverluste
recht groß werden, wenn die der Umgebung zugewandte Oberfläche
der Wandung entsprechend groß ist, beispielsweise dann,
wenn der Kessel als Speicherkessel ausgeführt wird. Dies
ist zum Beispiel bei sogenannten Solarkesseln der Fall, das sind
Warmwasserspeicher mit einem Feuerungseinsatz, wie sie beispielsweise
aus der
EP 0 841 522
A1 bekannt sind.
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Ein
weiterer Gedanke zur Reduzierung der Energieverluste besteht darin,
die für den Verbrennungsvorgang benötigte Frischluft
bei Warmwasserkesseln unter einer Abdeckhaube anzusaugen, die die
thermische Isolierung umgibt. Mit einer solchen Lösung
kann ein Teil der sonst entstehenden Wärmeverluste an der
Oberfläche wiedergewonnen werden. Eine Absaugung unter
einer Abdeckhaube führt nur bei relativ mäßigen
Oberflächentemperaturen zu einer relevanten Reduzierung
der Wärmeverluste, also bei Vorhandensein eines Wassermantels
um die Feuerung.
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Es
besteht jedoch unverändert ein starkes Interesse, die Wärmeverluste
bei Feuerungsvorrichtungen möglichst gering zu halten.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Vorschlag für
eine alternative Lösung für eine Reduzierung der
Wärmeverluste bei Feuerungen vorzulegen.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer gattungsgemäßen
Feuerung dadurch gelöst, dass der Strömungsweg
für die Zufuhr von Sauerstoff zur Brennkammer auf einem
Abschnitt der Außenseite der Wandung der Brennkammer entlang
und/oder durch Abschnitte innerhalb der Wandung der Brennkammer
hindurch zur Eintrittsöffnung der Brennkammer führt.
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Auf
diese Weise kann die Verbrennungsluft mit dem in ihr enthaltenden
Sauerstoff auf dem Weg zur Brennkammer eine Wandung durchströmen,
die auf ihrer Außenseite oder im Inneren mit einem entsprechenden
Abschnitt des Strömungsweges ausgestattet ist. Auf diesem
Weg kann die sauerstoffhaltige Verbrennungsluft die von der Brennkammer
aus nach außen fließende Wärme konvektiv
aufnehmen.
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Dadurch
wird einerseits die sauerstoffhaltige Verbrennungsluft vorgewärmt
und andererseits erwärmt sich die Außenseite der
Wandung außerhalb dieser Abschnitte des Strömungsweges
nur noch unwesentlich gegenüber der Umgebung.
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Die
Wärme, die jetzt von der Innenseite zur Außenseite
der Wandung gelangt und damit die Brennkammer in eine Richtung verlässt,
die herkömmlich unerwünscht ist und daher gedämmt
werden muss, gelangt nun in einen Bereich, in dem der Sauerstoff
noch auf seinem Strömungsweg in Richtung zur Brennkammer
ist. Die entsprechende Wärme führt damit zu einer
Erhöhung der Temperatur dieses strömenden Sauerstoffs.
Zugleich wird die Wärmeenergie mit diesem Sauerstoff und
der ihn umgebenden weiteren Luftbestandteile wieder in die Brennkammer
zurückgeführt. Die Wärmeenergie geht
also nicht verloren, sondern verbleibt durch diesen kleinen Umweg
in dem Bereich der Brennkammer und kann in der Energiebilanz des
Verbrennungsvorgangs weiter als noch nutzbare Energie betrachtet
werden.
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Mit
einer derartigen Lösung wird eine Feuerung geschaffen,
bei der die Wärmeverluste reduziert sind. Es wird sogar
möglich, die Wärmeverluste an der äußeren
Oberfläche der Feuerung auch bei sehr hohen Innentemperaturen
sehr weit zu reduzieren, und zwar mit einem durchaus vertretbaren
Materialeinsatz.
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Durch
die vorgeschlagene Erfindung wird es möglich, eine Feuerungseinrichtung
gänzlich unabhängig von einem eventuellen Bedarf
an Warmwasser zu fahren. Das bedeutet, dass die sonst über
die Wandung einer Feuerung nutzlos in den Außenraum abgegebene
Wärme nicht nur wie schon im Stand der Technik vorgeschlagen
zur Anwärmung von Wasser in einem Wassermantel genutzt
werden kann, sondern dass auch dieser Wassermantel fortfallen kann
und die so gewonnene beziehungsweise eingesparte Wärmeenergie
unmittelbar und ausschließlich dem Rauchgas zugute kommt.
Sie kann beispielsweise in einem Stirlingmotor zur Stromherstellung genutzt
werden. Zugleich werden die Oberflächenverluste an den
Wandungen einer Brennkammer beziehungsweise einer Feuerung praktisch
auf Null reduziert, ohne dass es erforderlich ist, erhebliche Dämmstarken
vorzusehen.
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Möglich
ist es aber auch, die Erfindung bei Feuerungen mit gekühlten
Brennkammern einzusetzen, also bei Feuerungen mit einem Wassermantel, bei
denen auch ein Warmwasserbedarf zu decken ist. Hier kann der Einsatz
eines entsprechend anders, etwa kleiner, dimensionierten erfindungemäßen
Aufbaus dazu dienen, noch vorhandene Oberflächenverluste
weiter zu reduzieren.
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Darüber
hinaus muss keine Rücksicht mehr darauf genommen werden,
etwa Brennraumtemperaturen nicht zu weit ansteigen zu lassen, um
die Verluste niedrig zu halten. Im Gegenteil, höhere Brennraumtemperaturen
führen bei einer erfindungsgemäßen Konstellation
und einer Kombination der Feuerung mit einem Stirlingmotor unmittelbar
auch zu einer Wirkungsgradverbesserung der Gesamtkombination.
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Die
möglich werdende Erhöhung der Brennraumtemperatur
gerade bei einem Weglassen des sonst vorhandenen, kühlenden
Wassermantels kann auch einen Ausbrand bei einem Einsatz bei Holzfeuerungen
verbessern. Sie vermindert dabei die Schadstofffracht und unverbrannten
Bestandteilen im Abgas, also beispielsweise von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen
und Ruß.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn der mit einer Wandung umgebene Feuerraum
außen zusätzlich mit Wabenstrukturen umgeben ist,
die Kanäle besitzen, welche von der für die Verbrennung
vorgesehenen Frischluft durchströmt werden.
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Wabenkörper
sind in unterschiedlichen Formen und Anwendungsbereichen an sich
bekannt, beispielsweise bei Abgaskatalysatoren, in Wärmeüberträgern,
im Leichtbau zur Gewichtsreduzierung und zu anderen Zwecken. In
der vorliegenden Erfindung werden sie jedoch zu einem ganz anderen Zweck
genutzt, nämlich als luftdurchströmte Bauteile für
die Frischluftzufuhr zu einer Feuerung und zugleich als thermische
Isolierung eben dieser Feuerung.
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Wabenkörper
mit Wabenstrukturen besitzen eine Vielzahl von zueinander parallelen
Kanälen in einer räumlichen Anordnung. Bei Wabenstrukturen werden
diese parallelen Kanäle aufgrund des vergleichsweise geringen
hydraulischen Durchmessers der einzelnen Kanäle laminar
durchströmt. Die Wärmeübergangskoeffizienten
liegen trotz der laminaren Durchströmung relativ hoch,
nämlich bei größenordnungsmäßig
etwa 50 bis 100 Watt/(Km2).
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Den
Grund für den relativ hohen Wärmeübergangskoeffizienten
erkennt man in der Gleichung zur Berechnung eben dieser Wärmeübergangskoeffizienten,
der drei Bestandteile besitzt. Im Zähler des Wärmeübergangskoeffizienten
steht die sogenannte Nusseltzahl, die bei einer laminaren Strömung
nicht unter einen Minimalwert fallen kann, der zwischen 3,65 und
4,36 liegt. Dabei ist Nu = 3,65 der theoretische Grenzwert für
die Annahme einer konstanten Wandtemperatur, Nu = 4,36 ist der theoretische Grenzwert
für die Annahme einer konstanten Wandwärmestromdichte.
Die Nusseltzahl ist also relativ konstant. Ein zweiter Bestandteil
im Zähler des Wärmeübergangskoeffizienten
ist die Wärmeleitfähigkeit des durchströmenden
Mediums. Dieses Medium ist im Fall der Erfindung Luft. Bei einer
nicht zu stark veränderlichen Lufttemperatur innerhalb
der Strömung in den Kanälen des Wabenkörpers
kann man auch diesen Wert als in etwa konstant ansehen.
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Der
dritte Bestandteil der Gleichung zur Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten
steht im Nenner und wird als hydraulischer Durchmesser bezeichnet.
Je kleiner dieser hydraulische Durchmesser ist, desto größer
wird der Wärmeübergangskoeffizient.
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Die
bevorzugt erfindungsgemäß eingesetzte Wabenstruktur
wird in einer ersten Ausführungsform radial (also quer
zur Strömungsrichtung der Verbrennungsgase) von außen
nach innen durchströmt, in einer zweiten Ausführungsform
axial parallel zur Strömungsrichtung der bei der Verbrennung
entstehenden Gase durchströmt werden. Bei der ersten genannten
Ausführungsform mit einer radialen Anströmung
wird zwischen der Wandung mit der thermischen Dämmung und
der Wabenstruktur ein Luftspalt eingesetzt. Auf diese Weise kann
die für die Verbrennung eingesetzte Luft zunächst
durch die Kanäle der Wabenstruktur radial von außen
nach innen in Richtung zur Wandung der Feuerung strömen
und dort dann in dem Luftspalt parallel zur Dämmung in
Richtung zum Eintritt in die Feuerung.
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Die
Wabenstrukturen können in verschiedener Form aufgebaut
werden. Die einzelnen Kanäle können einen quadratischen
oder auch jeweils sechseckigen Querschnitt besitzen; es sind jedoch auch
andere Querschnittsformen möglich, die eine besonders gute
Realisierung der erfindungsgemäßen Randbedingungen
erfüllen können.
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Anstelle
einer Wabenstruktur kann auch ein poröses Material eingesetzt
werden.
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Die
erfindungsgemäßen Feuerungen eignen sich zur Warmwassererzeugung,
zur Warmlufterzeugung oder auch zu Prozesszwecken. Besonders geeignet
sind die erfindungsgemäßen Feuerungen zum Betrieb
von Wärmekraftmaschinen. Speziell bei Stirlingmotoren können
sie ihre Vorteile mit sehr großem Nutzen einsetzen.
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Im
Folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
vergrößerte Darstellung eines Details aus 1;
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3 einen
Schnitt senkrecht zur 1;
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4 einen
Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform
der Erfindung;
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5 einen
Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform
der Erfindung;
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6 eine
vergrößerte Darstellung eines Details aus 5;
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7 einen
Schnitt senkrecht zur 5; und
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8 einen
Längsschnitt durch eine vierte Ausführungsform
der Erfindung.
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Bei
Feuerungseinrichtungen ist jeweils vorgesehen, dass Sauerstoff in
Form von Luft, bezeichnet als Verbrennungsluft 10, über
einen Strömungsweg 40 einer Brennkammer 20 zugeführt
wird. Die Brennkammer 20 ist mit einer Wandung 30 umgeben. Die
Verbrennungsluft 10 wird vom Strömungsweg 40 einer
Eintrittsöffnung 21 zur Brennkammer 20 zugeführt
und betritt dort die Brennkammer 20. Die Feuerungseinrichtung
ist in den dargestellten Ausführungsformen jeweils ein
Brenner in unterschiedlicher Position.
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Nach
dem Verbrennungsvorgang verlassen Verbrennungsgase 11,
also die Abgase, die Brennkammer 20.
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In
der ersten Ausführungsform in der 1 sieht
man eine horizontale Brennkammer 20. Die Eintrittsöffnung 21 zur
Brennkammer 20 liegt auf der linken Seite. Die zuströmende
Luft wird durch ein Gebläse 22 unterstützt
in die Brennkammer 20 geführt und verbrennt dort
einen hier nicht näher dargestellten Brennstoff.
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Die
Wandung 30 besitzt hier einen quadratischen Querschnitt,
wie man insbesondere in dem Querschnitt in der 3 auch
erkennen kann. Die Wandung 30 besitzt eine Innenseite 31,
die der Brennkammer 20 zugewandt ist, und eine Außenseite 32,
die der Brennkammer 20 abgewandt ist.
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Man
sieht dabei, dass außen auf der Außenseite 32 der
Wandung 30 der Strömungsweg 40 entlangläuft.
Die hier strömende Verbrennungsluft 10 nimmt also
die Wärme an, die von der Brennkammer 20 durch
die Wandung 30 von der Innenseite 31 bis zur Außenseite 32 gelangt.
Diese Wärme nimmt die außen vorbeiströmende
Luft 10 auf und transportiert sie bis zur Eintrittsöffnung 21,
die hier von dem Gebläse 22 gebildet wird. Von
dort wird die so vorgewärmte Luft durch das Gebläse 22 in
die Eintrittsöffnung 21 zur Brennkammer 20 geführt.
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Betrachtet
man sich die Luft 10 näher, so handelt es sich
um Frischluft oder Umgebungsluft, die den üblichen Sauerstoffgehalt
besitzt, der später für den Verbrennungsvorgang
in der Brennkammer 20 benötigt wird. Diese Luft 10 wird
wie in der 1 erkennbar durch einen Strömungsweg 40 geführt, von
dem ein Teilabschnitt von einer Wabenstruktur 44 gebildet
wird. Diese Wabenstruktur 44 besitzt in dieser Ausführungsform
Kanäle 45, die senkrecht zur Strömungsrichtung
der Verbrennungsluft in der Brennkammer 20 verlaufen, also
senkrecht auf die Außenseite 32 der Wandung 30 der
Brennkammer 20 hinführen.
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Man
kann dies noch deutlicher in der vergrößerten
Darstellung in der 2 erkennen. Eine Vielzahl von
kleinen, parallelen und als Wabe angeordneten Kanälen 45 führen
die Luft 10 von einer Eintrittsöffnung 47 in
den Kanal 45 in der Wabenkörperstruktur 44 und
durch diesen hindurch.
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Die
Wabenkörperstruktur 44 reicht hier nicht ganz
bis an die Außenseite 32 der Wandung 30 der Brennkammer 20 heran,
sodass sich zwischen dieser Außenseite 32 und
der Wabenkörperstruktur 44 noch eine Ringspaltleitung 46 ausbildet.
Diese Ringspaltleitung 46 zwischen der Außenseite 32 und der
Wabenkörperstruktur 44 erlaubt es nun der hier eintretenden
Luft 10 den Strömungsweg von dem Kanal 45 nun
um 90° abgebogen in dieser Ringspaltleitung 46 fortzusetzen
und in Richtung auf das Gebläse 22 an der Eintrittsöffnung 21 in
die Brennkammer 20 fortzuführen.
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In
dieser Ringspaltleitung 46 sammeln sich nun die Luftmengen
von allen Kanälen 45 aus der Wabenstruktur 44.
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Eine
genauere Betrachtung in der 1 zeigt
noch, dass hier in einer speziellen Ausführungsform die
Ringspaltleitung 46 noch in zwei konzentrische Teilbereiche
unterteilt ist. Auf diese Weise können diejenigen Kanäle 45 der
Wabenkörperstruktur 44, die schon sehr dicht an
der Eintrittsöffnung 21 zur Brennkammer 20 sind,
die in ihnen befindliche Luft zunächst noch in eine antiparallele
Richtung geben, die parallel zu den Verbrennungsgasen in der Brennkammer 20 verläuft,
und erst dann etwa im mittleren Bereich der Außenseite 32 der
Wandung 30 umkehren und sich mit den anderen Anteilen der
Luft 10 aus den Kanälen 45 vereinigen.
Dadurch wird außerdem eine gleichmäßigere
Strömung in dem Strömungsweg 40 erzielt.
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In
der 3 ist in einem Schnitt zur 1 zusehen,
dass die Kanäle 45 der Wabenstruktur 44 radial
von allen Richtungen aus auf die Außenseite 32 der
Wandung 30 um die Brennkammer 20 herum zulaufen.
Die dargestellte Ausführungsform hat einen quadratischen
Querschnitt, da dies für den Aufbau der Wabenstruktur 44 besonders
günstig ist. Zur Stabilitätserhöhung
und zur weiteren Minderung der Wärmeverluste ist noch eine
zusätzliche Dämmung 49 in den Eckbereichen
der Wabenstruktur 44 vorgesehen, in denen keine Kanäle 44 sinnvoll
angeordnet werden können.
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In
der 4 sieht man eine zweite Ausführungsform,
die jedoch ähnlich aufgebaut ist. Hier ist die Feuerungseinrichtung
in Form eines stehenden Brenners aufgebaut worden, während
in den 1 bis 3 eine Ausführungsform
mit einem horizontalen Brenner dargestellt war. Auch bei einem stehenden
Brenner wie in der 4 kann eine radiale Zufuhr der
Verbrennungsluft 10 durch Kanäle 45 in
einer Wabenstruktur 44 erfolgen, wobei die Frischluft von Kanaleintrittsöffnungen
an in Richtung zu der Außenseite 32 der Wandung
strömt.
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Bei
einem stehenden Brenner ergibt sich unterhalb der Eintrittsöffnung 21 mit
Gebläse 22 ein Verteilerraum 23, um eine
Umlenkung der aus der Ringspaltleitung 46 zuströmenden
Luft 10 zu ermöglichen.
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In
diesem Falle tritt aus der Brennkammer 20 das Verbrennungsgas
beziehungsweise die sonstigen Abgase nach oben aus.
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Auch
in dieser Ausführungsform ist eine umlaufende Unterteilung
durch ein Zwischenelement 50 einer Ringspaltleitung 46 vorgesehen.
Dieses Zwischenelement 50 ist in dieser Ausführungsform
ein Lochblech. Das Lochblech 50 soll eine Vergleichmäßigung
der Strömung bewirken. Die Strömung in der Ringspaltleitung 46 sollte
nach Möglichkeit so sein, dass über alle vier
seitlich zur Brennkammer 20 angeordneten Wabenelemente
jeweils die gleiche Luftmenge strömt. Die Absaugung durch
das Gebläse 22 erfolgt punktuell am Verteilerraum 23.
Durch die punktuelle Absaugung ist eine gleichmäßige
Luftmengenverteilung über die vier Wabenelemente jedoch
recht schwierig.
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Durch
das Lochblech 50 bzw. das Zwischenelement wird nun in den
einzelnen Bereichen der Ringspaltleitung 46 jeweils ein
zusätzlicher Druckverlust geschaffen. Der Druckverlust
jeder einzelnen Luftfraktion von der Eintrittsöffnung 47 in
die Wabenstruktur 44 bis hin zum Gebläse 22 wird
auf diese Weise angeglichen, da der zusätzliche Druckverlust durch
das Lochblech 50 in allen Luftfraktionen gleich groß gewählt
werden kann und somit die relativen Unterschiede im Übrigen
in ihrer Bedeutung reduziert. Die Folge dieser Maßnahme
ist, dass sich die Strömungsbedingungen in der Geometrie ähneln
und somit homogenere Strömungsfelder zu Erwarten sind.
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In
der 5 ist eine dritte Ausführungsform dargestellt,
die wie auch die Darstellung in der 1 einen
horizontalen Brenner wiedergibt. Die Brennkammer 20 mit
ihrer Wandung 30 und der Innenseite 31 und der
Außenseite 32 der Wandung 30 sind ebenso
unverändert wie das Gebläse 22 an der
Eintrittsöffnung 21 zur Brennkammer 20.
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Allerdings
ist hier eine Wabenstruktur 44 vorgesehen, die anders angeordnet
ist, als in den ersten beiden Ausführungsformen. Sie führt
hier nämlich parallele Kanäle 45 auch
parallel zur Außenseite 32 der Wandung 30,
ohne dass eine Ringspaltleitung vorgesehen ist.
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Das
bedeutet, dass hier die Luft 10 antiparallel zur Strömung
der Verbrennungsgase in der Brennkammer 20 in Eintrittsöffnungen 47 der
Kanäle 45 in der Wabenstruktur 44 eintreten
und gewissermaßen im Gegenstrom an der Wandung 30 vorbeiströmen kann.
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Sie
gelangt dann wieder in einen Verteilerraum beziehungsweise zum Gebläse 22 und
von dort in die Eintrittsöffnung 21 zur Brennkammer 20.
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In
der 6 ist vergrößert im Detail ein
Abschnitt aus der Wandung 30 und der Wabenstruktur 44 gezeigt.
Man sieht, dass eine Vielzahl von Kanälen 45 durch
die Wabenstruktur 44 parallel zueinander strömen
und in Wärmekontakt mit der Außenseite 32 der
Wandung stehen.
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In
einem Schnitt in der 7 ist zu erkennen, dass hier
anders als in der 3 ein kreisförmiger Querschnitt
der Wandung 30 und auch der Wabenstruktur 44 vorliegt.
Dies ist bei zueinander parallel verlaufenden Strukturen mechanisch
einfacher herstellbar. Auf diese Art kann auf eine Außendämmung 49 bei
dieser Ausführungsform verzichtet werden.
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In
der 8 ist schließlich eine vierte Ausführungsform
dargestellt. Hier handelt es sich wie in der 4 um einen
stehenden Brenner mit einer Brennkammer 20, in der die
Luft 10 von unten zugeführt wird und die Verbrennungsluft
oben abgegeben wird.
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Wie
in den 5 bis 7 ist die Wabenstruktur 44 wiederum
so aufgebaut, dass in ihr die Kanäle 45 parallel
zur Außenseite 32 der Wandung 30 verlaufen.
Die Luft 10 strömt von oben an die parallel zu
der Luftbewegung in der Brennkammer 20 in die Eintrittsöffnungen 47 der
Kanäle 45 ein und wird am unteren Austrittsende
der Kanäle 45 in einen Verteilerraum umgelenkt,
um von dort über das Gebläse 22 in die
Eintrittsöffnung 21 zur Brennkammer 20 geführt
zu werden.
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Eine
radiale Durchströmung von Kanälen 45 wie
in den 1 bis 4 liefert bei gleichem hydraulischen
Durchmesser der Kanäle 45 und auch in übrigen
vergleichbaren Bedingungen eine niedrigere Oberflächentemperatur
verglichen mit der Situation bei einer axialen Durchströmung
der Kanäle 45 wie in den 5 bis 8.
Dieser häufig zu bevorzugende Effekt geht darauf zurück,
dass bei einer radialen Durchströmung der Kanäle 45 der
Verlustwärmestrom durch eine Wärmeleitung nach
außen einerseits und der Verbrennungsluftstrom andererseits
exakt entgegengesetzt verlaufen.
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Andererseits
ist bei einer Verwendung radial durchströmter Wabenstrukturen 44 die
Herstellung komplizierter, da sich geometrisch nur rechteckige Feuerungen
einfach aufbauen lassen, wie etwa die Darstellung in 3 bestätigt.
Dies führt dazu, dass die Ausführungsformen aus
den 1 bis 4 bei der Verwendung gleicher
Werkstoffe vergleichsweise kostspieliger sind, als diejenigen aus
den 5 bis 8.
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Bei
der Ausführungsform in den 5 bis 8 lässt
es sich außerdem ermöglichen, die Wabenstruktur 44 durch
das Wickeln je einer glatten und einer welligen Materiallage herzustellen.
Bei diesen Ausführungsformen stehen der Verlustwärmestrom durch
Wärmeleitung nach außen einerseits und der Verbrennungsluftstrom
andererseits orthogonal zueinander. Von daher sind in diesen Ausführungsformen
kleinere Wabendurchmesser zu bevorzugen, um höhere Übergangskoeffizienten
und damit akzeptable Oberflächentemperaturen zu erreichen.
Die Integration eines Lochwiderstandes als Zwischenelement 50 vor
dem Verteilerraum 23 ist sinnvoll, damit über
die gesamte Wabenoberfläche ein gleichmäßiger
Volumenstrom durch die Kanäle 45 fließen
kann.
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Dieser
zusätzliche Widerstand des Zwischenelementes 50 kann
darüber hinaus ähnliche Druckverhältnisse
vom Gebläse 22 bis zur Eintrittsöffnung
in die Kanäle 45 in der Wabenstruktur 44 schaffen.
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Die
für die Verbrennung vorgesehene Luft 10 gelangt
in allen dargestellten Ausführungsformen aus der Umgebung
an die Eintrittsöffnungen 47 in die Wabenstruktur 44.
Sie verteilt sich gleichmäßig in die Kanäle 45. Über
den gesamten Körper der Wabenstruktur 44 strömt
die Verbrennungsluft 10 durch diesen Teil des Strömungswegs 40 zur
Austrittsöffnung 48 aus der Wabenstruktur 44.
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Anschließend
gelangt die Luft 10 mit dem später für
die Verbrennung vorgesehenen Sauerstoff bei den Ausführungsformen
der 1 bis 4 zu einer Ringspaltleitung 46,
in welchem sie entlang der Außenseite 32 der Wandung 30 über
einen Lochwiderstand als Zwischenelement 50 zu einem Verteilerraum 23 gelangt.
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Bei
den in den 5 bis 8 dargestellten Ausführungsformen
gelangt die Luft 10 von der Austrittsöffnung 48 aus
den Kanälen 45 der Wabenstruktur 44 direkt
zu dem Verteilerraum 23. Von dort aus strömt die
Luft 10 über die Eintrittsöffnung 21 in
die Brennkammer 20 des Brenners, wo sie für den
Verbrennungsprozess des nicht dargestellten Brennstoffs zur Verfügung
steht.
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- 10
- Verbrennungsluft
- 20
- Brennkammer
- 21
- Eintrittsöffnung
zur Brennkammer
- 22
- Gebläse
- 23
- Verteilerraum
- 30
- Wandung
- 31
- Innenseite
der Wandung
- 32
- Außenseite
der Wandung
- 40
- Strömungsweg
für die Zufuhr von Sauerstoff
- 44
- Wabenstruktur
- 45
- Kanäle
- 46
- Ringspaltleitung
- 47
- Eintrittsöffnung
in die Wabenstruktur
- 48
- Austrittsöffnung
aus der Wabenstruktur
- 49
- Dämmung
- 50
- Zwischenelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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