DE19729607A1

DE19729607A1 - Wärmekraftmaschine

Info

Publication number: DE19729607A1
Application number: DE19729607A
Authority: DE
Inventors: Andreas P Rosteuscher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-07-10
Filing date: 1997-07-10
Publication date: 1999-01-14

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erhitzung eines Wärmeträ gers mit einem zur Erzeugung einer Wärmequelle ausgebildeten Feue rungsmittel, einem Wärmeträgerbereich und einer zwischen der Wär mequelle und dem Wärmeträgerbereich befindlichen Wandung, insbe sondere einer Kessel- oder Rohrwandung.

Als Wärmequelle in einer derartigen Vorrichtung dienen üblicherweise bei einem im Feuerungsmittel stattfindenden Verbrennungsvorgang entstehende Flammen und erhitzte Abgase.

Eine bekannte Vorrichtung der genannten Art ist beispielsweise durch einen Flammrohr-/Rauchrohr-Heizkessel in 3-Zug-Bauweise gegeben, welcher als Feuerungsmittel einen Brenner enthält, in dem bei Betrieb des Kessels eine Verbrennung stattfindet. Bei dieser Verbrennung ent steht eine Flamme in einem Flammrohr sowie Abgas, welches den Kes sel durch die nachfolgend angeordneten Rauchrohre verläßt. Die Flam me und das Abgas dienen als Wärmequelle: Über die Wandungen des Flammrohrs bzw. der Rauchrohre geben sie Wärme ab in einen Wär meträgerbereich, der von als Wärmeträger verwendetem Wasser durch strömt wird. Die von dem Wasser aufgenommene Wärme dient also zu dessen Erhitzung. Die Wandungen des Flammrohrs bzw. der Rauchroh re sind in den bekannten Vorrichtungen mit bestimmten Eigenschaften versehen: Beispielsweise besitzen sie dem konstruktiven Aufbau des Kessels angepaßte Wärmeausdehnungskoeffizienten und Elastizität so wie ausreichende chemische Unempfindlichkeit.

Die bekannten Vorrichtungen weisen den Nachteil auf, daß nur ein un zureichender Teil der vom Feuerungsmittel erzeugten und von der Wärmequelle abgegebenen Wärme vom Wärmeträger aufgenommen wird. Das die Vorrichtung verlassende Abgas enthält noch einen zu ho hen Anteil der erzeugten Wärme, insbesondere besitzt es im Vergleich zum erhitzten Wärmeträger eine hohe Temperatur. Der Wärmeübertrag von der Wärmequelle auf den Wärmeträger ist somit nicht optimal.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei Vorrichtungen der ein gangs genannten Art den Übertrag der Wärme von der Wärmequelle über die Wandung auf einen im Wärmeträgerbereich befindlichen Wär meträger zu verbessern und den Wirkungsgrad der Vorrichtung zu er höhen.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine an mindestens einer Seite der Wandung befindliche, die Absorption der von der Wärmequelle stammenden Wärmeleistung in der Wandung begün stigende und/oder die Emission der von der Wandung stammenden Wärmeleistung in Richtung der Wärmequelle behindernde selektive Schicht.

Erfindungsgemäß wird also der Netto-Wärmeübertrag von der Wärme quelle auf die zwischen der Wärmequelle und dem Wärmeträgerbereich befindliche Wandung erhöht. Diese Erhöhung erfolgt durch eine an oder in der Wandung angebrachte selektive Schicht, die folgende Funktionen besitzt:
Zum einen erhöht sie die in der Wandung stattfindende Absorption der von der Wärmequelle stammenden Wärmeleistung. Der Großteil dieser Wärmeleistung wird in Form von Wärmestrahlung zur Wandung über tragen. Eine Erhöhung der Absorption dieser Wärmestrahlung in der Wandung kann dabei bereits dadurch erreicht werden, daß die selektive Schicht die Reflexion der Wärmestrahlung an der Wandung verringert.
Zum anderen verringert die selektive Schicht die Emission von Wärme leistung aus der Wandung zurück in Richtung der Wärmequelle. Ein derartiger Wärmeübertrag erfolgt aufgrund der Eigentemperatur der Wandung: Wärme in Form von Temperaturstrahlung wird von der Wandung unter anderem in unerwünschter Weise auch in Richtung der Wärmequelle abgegeben.

Die Emission von Temperaturstrahlung hängt jedoch nicht nur von der Eigentemperatur der Wandung, sondern beispielsweise auch von ihrer Oberflächenbeschaffenheit ab. Die selektive Schicht an der Wandung kann so beschaffen sein, daß sie die Emission von Temperaturstrahlung von der Wandung in andere Richtungen als die des Wärmeträgerbe reichs hemmt.

Durch eine oder mehrere der genannten Funktionen der selektiven Schicht läßt sich das Verhältnis von Absorption der Wärmeleistung in der Wandung zu Emission in Richtung der Wärmequelle erhöhen. Die ses Verhältnis, bezüglich dessen Größe ein möglichst hoher Wert wün schenswert ist, wird als Selektivität bezeichnet.

Die erfindungsgemaße Vorrichtung verbessert somit den Netto-Wärmeübertrag von der Wärmequelle auf die Wandung durch Erhöhung der Selektivität der Wandung. Indem die Erfindung es ermöglicht, die in der Wandung absorbierte Wärmeleistung zu erhöhen und die von der Wandung in Richtung der Wärmequelle remittierte Wärmeleistung zu verringern, wird auch ein höherer Wärmeübertrag von der Wandung an den Wärmeträger erreicht, wodurch der Wirkungsgrad der Vorrichtung erheblich verbessert wird.

Aufgrund der vorstehend genannten vorteilhaften Eigenschaften der er findungsgemäßen Vorrichtung sind gegenüber herkömmlichen Anord nungen konstruktive Neugestaltungen und Vereinfachungen realisier bar:
Durch die Erhöhung des Wärmeübertrags von der Wärmequelle auf die Wandung bzw. den Wärmeträger ist eine Verringerung der benötigten Wärmeübertragungsfläche möglich.

Insbesondere gegenüber Heizkesseln des herkömmlichen 3-Zug-Aufbaus kann aufgrund des verbesserten Wärmeübertrags und des er höhten Wirkungsgrads auf einen oder zwei Züge verzichtet werden, so daß erfindungsgemäß letztlich mit einem 1-Zug-Aufbau (Sturzbrenner) der gleiche Wirkungsgrad erreicht werden kann, wie mit einem aus dem Stand der Technik bekannten 3-Zug-Aufbau.

Ein erfindungsgemäßer Sturzbrenner besitzt somit einen vergleichswei se hohen Wirkungsgrad. Bei einem erfindungsgemäßen Sturzbrenner kann das Flammrohr in Edelstahl ausgeführt sein. Edelstahl ist insbe sondere unempfindlich gegenüber bei erfindungsgemäß erzielter niedri ger Abgas-Endtemperatur entstehendem Abgaskondensat.

Die Ausgestaltung verschiedener Bereiche der Wandung mit Schichten unterschiedlicher Selektivität ermöglicht einen innerhalb der Vorrich tung gleichmäßigen Wärmeübertrag. Dies gestaltet den Wärmeübertrag mitunter effizienter und ermöglicht den Wegfall aufwendiger konstrukti ver Maßnahmen, die zur Schadenverhütung in thermisch hochbelaste ten Bereichen der Vorrichtung bzw. ihrer Wandungen getroffen werden müßten.

Die Erfindung ermöglicht außerdem eine geringere Flammentempera tur, wodurch die Emission von Schadstoffen (z. B. NO_x) vermindert wird und eine vollständige Verbrennung erzielt wird.

Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft der erfindungsgemäßen Vorrich tung ist eine verringerte Temperatur des von der Vorrichtung abgegebe nen Abgases. Dadurch kann der Taupunkt von Bestandteilen des Abga ses unterschritten werden; aufgrund der freiwerdenden Kondensati onswärme kann somit der Wirkungsgrad der Vorrichtung noch weiter erhöht werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor richtung befindet sich die selektive Schicht nur auf einer Seite der Wandung, insbesondere auf der der Wärmequelle zugewandten Seite.

Die selektive Schicht kann so ausgebildet sein, daß eine erhöhte Selek tivität durch Ausnutzung der unterschiedlichen spektralen Verteilung der von der Wärmequelle ausgehenden Wärmestrahlung und der von der Wandung ausgehenden Temperaturstrahlung erreicht wird. Insbe sondere kann der Absorptionsgrad und/oder der Emissionsgrad eine Wellenlängenabhängigkeit aufweisen.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Selektivität der selektiven Schicht in einem oder mehreren Wellenlängenbereichen der von der Wärme quelle emittierten Wärmestrahlung ein Maximum aufweist; insbesonde re können diese Wellenlängenbereiche jenen Wellenlängenbereichen entsprechen, an denen ein Intensitätsmaximum der von der Wärme quelle emittierten Wärmestrahlung vorhanden ist. Das Spektrum der von der Wärmequelle emittierten Wärmestrahlung ist nämlich nicht un bedingt kontinuierlicher Art; im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, daß dieses Spektrum auch ein oder mehrere Intensitätsmaxima besit zen kann. Solche Intensitätsmaxima können charakteristisch sein für den verbrannten Brennstoff bzw. die Zusammensetzung des bei der Verbrennung entstehenden Abgases. Insbesondere weist das Spektrum einer rußfreien, bei der Verbrennung von kohlenstoffarmen Brennstof fen entstehenden Flamme derartige Intensitätsmaxima im µm-Bereich (Infrarotstrahlung) auf.

Die selektive Schicht kann dadurch ausgebildet sein, daß sie Hervorhe bungen und/oder Vertiefungen aufweist, die insbesondere eine Mi krostruktur bilden. Eine derartige Mikrostruktur kann beispielsweise als flächige Nadel-, Trapez- oder Pyramidenstruktur ausgebildet sein, welche ein sich wiederholendes Muster aufweist, dessen Periodizi tätsintervall insbesondere in der Größenordnung einer Wellenlänge ma ximaler Intensität der von der Wärmequelle emittierten Wärmestrahlung liegen kann. Die Mikrostruktur kann auch eine flächige zweidimensio nale oder eine dreidimensionale Kristallgitterstruktur umfassen.

In bevorzugter Ausführungsform kann die selektive Schicht durch Be handlung einer Oberfläche der Wandung hergestellt sein. Diese Be handlung kann beispielsweise durch Kathodenzerstäubung (Sputtern), Galvanisierung, Kerbung, Bürsten, Polieren, Schleifen, Beaufschlagung mit Laserstrahlung oder weiteren dem Fachmann bekannten Methoden der Oberflächenbehandlung durchgeführt werden. Die Herstellung der selektiven Schicht kann jedoch auch durch Aufbringen einer zusätzli chen Schicht auf die Wandung erfolgen, insbesondere durch galvani sche Beschichtung, Aufsintern, Aufdampfen, Aufbringen von Folien, Aufbringen von Filtern, insbesondere Interferenz- und Halbleiterfiltern, oder durch eine Kombination hiervon.

Die Erhöhung der Selektivität der selektiven Schicht kann beispielswei se unter Ausnutzung von Interferenzeffekten, Absorption durch Gitter schwingungen oder ionischer Absorption von Wärmestrahlung erreicht werden.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Wandung der Vorrichtung einen Absorptionsgrad von ungefähr 95% gegenüber einem spektralen Bereich oder dem gesamten Spektrum der Wärmestrahlung der Wärmequelle aufweist und einen Emissionsgrad von Wärmestrahlung in Richtung der Wärmequelle von ungefähr 5% besitzt. Auch mit schlechteren Werten von Absorptions- und Emissionsgrad ist die Erfindung jedoch noch in vorteilhafter Weise einsetzbar.

Die selektive Schicht ist vorzugsweise temperaturbeständig; insbeson dere ist sie gegenüber der Betriebstemperatur der Vorrichtung bestän dig.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung liegt außerdem vor, wenn die Flamme oder die Abgase der Wärmequelle durch Verbrennung von wasserstoffhaltigem und/oder kohlenstoffhaltigem Brennstoff, ins besondere Erdgas, Wasserstoff, Heizöl oder Kohle, erzeugbar sind. Die Flamme oder die Abgase können gleichermaßen durch Verbrennung von anderen anorganischen oder organischen Brennstoffen oder von Abfallbrennstoff, insbesondere von Haus- und Industriemüll, Klär schlamm, Rechengut, Filtergut, Faulgas oder pflanzlichem Abfall, er zeugbar sein.

Weiterhin kann die Wandung zumindest durch einen Teil eines Flamm rohrs, eines Rauchrohrs, eines Abgasrohrs, eines Flamm- und/oder Rauchrohrkessels mit einem oder mehreren Zügen, eines Strahlungs kessels, eines Abhitzekessels, einer Strahlungsheizfläche, eines Feue rungsraums oder einer Wärmetauscherfläche gebildet sein.

Schließlich ist der Wärmeträgerbereich vorzugsweise zur Aufnahme von flüssigen, gasförmigen und/oder festen, insbesondere jeweils strömen den Wärmeträgern ausgelegt.

Die Erfindung umfaßt ferner Wärmekraftmaschinen, wie z. B. Verbren nungsmotoren, Turbinen, Stirlingmotoren, Brennstoffzellen und derglei chen, bei denen die Innenseiten der Brennräume, eventuell vorhandene Wärmetauscherflächen und/oder bewegliche Teile, wie z. B. Kolben oder Turbinenleitschaufeln zumindest teilweise mit einer selektiven Schicht versehen sind, wie sie vorstehend in ihren verschiedenen Ausfüh rungsformen beschrieben wurde. Mit einer im Rahmen einer Wärme kraftmaschine eingesetzten selektiven Schicht können beispielsweise die beiden folgenden, voneinander unterschiedlichen Ziele verfolgt wer den:
Durch eine geeignete selektive Schicht läßt sich eine Erhöhung der Ab sorptions- und/oder eine Verminderung der Emissions- bzw. Refle xionsrate erzielen, wodurch eine Absenkung der Verbrennungstempe ratur erreicht wird. Dies bewirkt in vorteilhafter Weise eine Reduzierung der thermischen Stickoxydbildung.

Weiterhin ist es möglich, durch eine geeignete Ausbildung der selekti ven Schicht die Reflexions- bzw. Emissionsrate zu erhöhen und/oder die Absorptionsrate zu reduzieren, um auf diese Weise eine Wirkungs gradverbesserung zu erreichen.

Durch das Aufbringen der selektiven Schicht kann die Umwandlung der jeweiligen Verbrennungsprodukte in die gewünschten Endprodukte er reicht bzw. begünstigt werden.

Für die selektive Schicht können generell, d. h. sowohl für Vorrichtun gen zur Erhitzung eines Wärmeträgers als auch für Wärmekraftmaschi nen katalytische Materialien verwendet werden, wobei hier beispielswei se Palladium, Iridium, Platin, Aluminiumoxyd oder ähnliche Materialien zum Einsatz kommen können.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprü chen offenbart, wobei auch andere Kombinationen der einzelnen Aus führungsformen möglich sind, als in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigen:

Fig. 1a das Prinzipschaubild eines erfindungsgemäßen Heizkessels in 3-Zug-Bauweise,

Fig. 1b das Prinzipschaubild eines erfindungsgemäßen Heizkessels in 1-Zug-Bauweise,

Fig. 2 das Prinzipschaubild eines erfindungsgemäßen Verbren nungsofens mit Strahlungsheizfläche und 3-Zug-Strahlungskessel,

Fig. 3 den Prinzipverlauf des bei der Verbrennung von Kohlenwas serstoffen und Wasserstoff emittierten elektromagnetischen Spektrums, und

Fig. 4a, 4b zwei verschiedene Möglichkeiten der Realisierung einer er findungsgemäßen selektiven Schicht.

Fig. 1a zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung eines Flamm rohr-/Rauchrohrkessels in 3-Zug-Bauweise. Innerhalb eines zylinder förmigen Flammrohrs 1 ist eine Flamme 2 gezeigt, die aus einem Ver brennungsvorgang resultiert, der in einem außerhalb des Flammrohrs 1 befindlichen Brenner 3 stattfindet.

Von dem dem Brenner 3 entgegengesetzten Ende des Flammrohrs 1 Zweigen mehrere Rauchrohre 5 von geringerem Durchmesser als dem des Flammrohrs 1 dergestalt ab, daß sie dem Flammrohr 1 seitlich be nachbart angeordnet sind und ihre Längsachsen parallel und in einem jeweils gleichen ersten Abstand zur Längsachse des Flammrohrs 1 ver laufen. In der Höhe des dem Brenner 3 zugewandten Endes des Flamm rohrs 1 besitzt jedes Rauchrohr 5 eine 180°-Krümmung dergestalt, daß es im weiteren Verlauf wieder parallel und in einem jeweils gleichen zweiten Abstand zur Längsachse des Flammrohrs 1 verläuft, wobei die ser zweite Abstand größer ist als der erste Abstand. Jedes der Flamm rohre 5 mündet dann in einen Bereich, der sich demnach auf der dem Brenner 3 entgegengesetzten Seite des Kessels befindet und der wieder um in einer einzigen Abgasabführung 6 mündet. In der Schnittdarstel lung der Fig. 1a zeigen das Flammrohr 1, der in dem ersten Abstand vom Flammrohr 1 befindliche Teil eines der Rauchrohre 5 und der in dem zweiten Abstand vom Flammrohr 1 befindliche Teil desselben Rauchrohrs 5 somit einen für einen 3-Zug-Kessel charakteristischen S-förmigen Aufbau.

In dem Flammrohr 1, den Rauchrohren 5 und dem in die Abgasabfüh rung 6 mündenden Bereich befinden sich Abgase 4, die aus den im Brenner 3 ablaufenden Verbrennungsvorgängen resultieren und in Fig. 1a durch gestrichelte Pfeile angedeutet sind. Auf den Außenseiten des Flammrohrs 1 und der Rauchrohre 5 ist ein Wärmeträgerbereich 7 ausgebildet, der demnach im wesentlichen durch die Wandungen des Flammrohrs 1, der Rauchrohre 5 und des Kessels begrenzt ist und le diglich mit einem Rücklauf 8 und einem Vorlauf 9 Öffnungen zum Kes seläußeren besitzt. Der Wärmeträgerbereich 7 ist mit einem Wärmeträ ger, wie beispielsweise Wasser, aufgefüllt. In Fig. 1a ist der Wärmeträ gerbereich 7 bzw. das Wasser durch die Schraffur gekennzeichnet.

An denjenigen Teilen der Wandungen des Flammrohrs 1 und der Rauchrohre 5, die das Innere der Rohre vom Wärmeträgerbereich 7 trennen, ist eine selektive Schicht 10 angebracht. Diese Schicht ist in Fig. 1a als fett eingezeichnete Linie verdeutlicht.

Bei der Verbrennung eines Brennstoffs, wie beispielsweise Öl, Gas oder Wasserstoff, im Brenner 3 entsteht die Flamme 2, die insbesondere in Form von Strahlung Wärme an das Flammrohr 1 abgibt. Die aus den Verbrennungsvorgängen resultierenden Abgase 4 strömen vom Flamm rohr 1 entlang der Pfeilrichtung durch die Rauchrohre 5. Dabei geben sie ebenfalls Wärme in Form von Strahlung an die Wandungen des Flammrohrs 1 bzw. der Rauchrohre 5 ab. Die Abgase entweichen schließlich dem Kessel über die Abgasabführung 6.

Das Wasser als Wärmeträger kann über den Rücklauf 8 in den Wärme trägerbereich 7 eingeführt werden, den Wärmeträgerbereich 7 durch strömen und durch Kontakt mit den Wandungen des Flammrohrs 1 bzw. der Rauchrohre 5 erhitzt werden. Über den Vorlauf 9 kann das derart erhitzte Wasser dem Kessel wieder abgeführt werden, so daß im stationären Betrieb des Kessels der Wärmeträgerbereich 7 kontinuier lich durchströmt wird.

Durch die selektiven Schichten 10 an den Wandungen des Flammrohrs 1 bzw. der Rauchrohre 5 wird die Aufnahme von Wärmeleistung von der Flamme 2 bzw. dem Abgas 4 in den Wandungen erhöht, die uner wünschte Wärmeabgabe von den Wandungen in Richtung der Flamme 2 bzw. des Abgases 4 verringert und somit der Netto-Wärmeübertrag von der Flamme 2 und den Abgasen 4 auf das Wasser im Wärmeträger bereich 7 erhöht.

Fig. 1b zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung eines Flamm rohrkessels mit einem zylinderförmigen Flammrohr 1 ohne nachfolgend angeordnete Rauchrohre (Aufbau als Sturzbrenner). Dieser Aufbau stellt somit eine erhebliche konstruktive Vereinfachung gegenüber dem 3-Zug-Flammrohr-/Rauchrohrkessel gemäß Fig. 1a dar. Die Wandung des Flammrohrs 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel gewellt. Das Flammrohr 1 des erfindungsgemäßen Sturzbrenners ist an seiner seitli chen inneren Wandung mit einer in Fig. 1b fett eingezeichneten selekti ven Schicht 10 versehen.

Außerhalb des Flammrohres 1, in der Verlängerung seiner Längsachse, befindet sich ein Brenner 3. Die in dem Brenner 3 ablaufenden Ver brennungsvorgänge erzeugen eine Flamme 2, die sich über einen gro ßen Bereich des Inneren des Flammrohrs 1 erstreckt, sowie Abgas 4, das sich ebenfalls im Inneren des Flammrohres 1 befindet und in Fig. 1b durch gestrichelte Pfeile angegeben ist. An dem dem Brenner 3 abge wandten Ende mündet das Flammrohr 1 in eine Abgasabführung 6, und es besitzt dort ferner einen Abfluß 11.

Auf der äußeren, der Flamme 2 abgewandten Seite der Wandung des Flammrohrs 1 ist, schraffiert eingezeichnet, ein mit dem Flammrohr im wesentlichen konzentrischer Wärmeträgerbereich 7 vorgesehen, der durch die Wandung des Flammrohrs 1 und die Wandungen des Kessels abgeschlossen ist. Nach außen ist der Wärmeträgerbereich 7 lediglich durch drei Rückläufe 8 geöffnet, die sich an einer Seitenwand des Kes sels und nahe des dem Brenner 3 abgewandten Endes befinden, und durch einen Vorlauf 9, der sich an einer den Rückläufen 8 gegenüber liegenden Seitenwand des Kessels und nahe des dem Brenner 3 zuge wandten Endes befindet.

Im stationären Betrieb des Kessels erzeugt ein Verbrennungsvorgang im Brenner 3 die Flamme 2 und das Abgas 4, das kontinuierlich durch das Flammrohr 1 strömt und den Kessel über die Abgasabführung 6 ver läßt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel dienen die Flamme 2 und de ren Abgas 4 der Erhitzung eines den Wärmeträgerbereich 7 durchströ menden Wärmeträgers, wie beispielsweise Wasser. Das Wasser kann dem Bereich 7 bei unterschiedlicher Temperatur zugeführt werden, wo bei bei höherer Temperatur des Wassers ein Rücklauf 8 nahe des Bren ners 3 und bei niedrigerer Temperatur des Wassers ein Rücklauf 8 weiter entfernt vom Brenner 3 vorgesehen ist. Dadurch werden ein effi zienter Wärmeübertrag auf das Wasser und eine hohe Temperatur des Wassers bei Verlassen des Wärmeträgerbereichs 7 durch den Vorlauf 9 erreicht.

Die selektive Schicht 10 der Wandung des Flammrohrs 1 ermöglicht auch in diesem Ausführungsbeispiel einen verbesserten Übergang der Wärme der Flamme 2 und des Abgases 4 über das Flammrohr 1 in den Wärmeträgerbereich 7. Der somit verbesserte Wirkungsgrad der Vor richtung erlaubt diese gegenüber dem 3-Zug-Flammrohr-/Rauchrohr kessel gemäß Fig. 1a mit weniger Wärmeübertragungsfläche ausgestal tete, jedoch konstruktiv einfachere Bauweise.

Eine weitere Verbesserung des Wärmeübertrags von der Flamme 2 und dem Abgas 4 in den Wärmeträgerbereich 7 wird in diesem Ausfüh rungsbeispiel durch die gewellte Ausgestaltung der Wandung des Flammrohrs 1 erreicht. Die somit vergrößerte Oberfläche dieser Wan dung verbessert insbesondere den Wärmeübergang von der Wandung auf den Wärmeträger. Eine derartige gewellte Ausgestaltung des Flammrohrs 1 ist jedoch nicht notwendig, um mit Hilfe der selektiven Schicht 10 an der Wandung einen erfindungsgemäß verbesserten Wär meübertrag zu erreichen.

Da der erfindungsgemäß verbesserte Wirkungsgrad des Sturzbrenners gemäß Fig. 1b auch eine niedrigere Temperatur der Flamme 2 und des den dargestellten Kessel verlassenden Abgases 4 bewirkt, entsteht im Flammrohr 1 Abgaskondensat. Das Abgaskondensat kann über den Abfluß 11 abgeführt werden. Das Flammrohr 1 kann aus gegenüber dem Abgaskondensat chemisch unempfindlichem Edelstahl gefertigt sein.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Verbrennungsofens, der aus einem Feuerungsraum 12 und einem 3-Zug-Strahlungskessel 13 besteht. Der Feuerungsraum 12 besitzt auf einer Seite eine Brennstoff zuführung 14 und auf der gegenüberliegenden Seite eine unterhalb der Brennstoffzuführung 14 befindliche Reststoffabführung 15. Zwischen der Brennstoffzuführung 14 und der Reststoffabführung 15 befinden sich ein in Richtung der Reststoffabführung 15 geneigter Rost 16 sowie ein unterhalb dieses Rosts 16 angeordneter Brenner 3. Oberhalb des Rosts 16 sind Flammen 2 und durch gestrichelte Pfeile gekennzeichne tes Abgas 4 eingezeichnet.

Oberhalb des Rosts 16 besitzt der Feuerungsraum 12 als Teil seiner Wandung eine nach oben geneigte Strahlungsheizfläche 17. Oberhalb der Strahlungsheizfläche 17 verjüngt sich der Feuerungsraum 12 zu einer Ausmündung, an die sich der 3-Zug-Strahlungskessel 13 an schließt.

Der 3-Zug-Strahlungskessel 13 enthält ein Abgasrohr 5, das in einer mäandrierenden Ausgestaltung drei nacheinander parallel angeordnete Abschnitte umfaßt. Das eine Ende des Abgasrohres 5 ist an die Aus mündung des Feuerungsraumes 12 angeschlossen, das andere Ende mündet in einer Abgasabführung 6. Das Abgas 4 befindet sich auch im Abgasrohr 5.

Die dem Feuerungsraum 12 abgewandte Seite der Strahlungsheizfläche 17 und die Außenseite des Abgasrohres 5 sind als ein in Fig. 2 schraf fiert eingezeichneter Wärmeträgerbereich 7 ausgestaltet. Der Wärmeträ gerbereich 7 enthält einen Wärmeträger, wie beispielsweise Wasser oder Wasserdampf. Die Strahlungsheizfläche 17 ist an ihrer dem Feuerungs raum 12 zugewandten Seite mit einer selektiven Schicht 10 versehen.

An den Verbindungsflächen zwischen dem Abgasrohr 5 und dem Wär meträgerbereich 7 ist auch die Wandung des Abgasrohrs 5 an ihrer In nenseite mit einer selektiven Schicht 10 versehen. Die selektive Schicht ist in Fig. 2 jeweils fett eingezeichnet.

Über die Brennstoffzuführung 14 wird dem Feuerungsraum 12 Brenn stoff, beispielsweise in Form von Haus- oder Industriemüll, Biomasse, Klärschlamm oder Kohle, zugeführt. Dieser Brennstoff wird im Betrieb des Verbrennungsofens auf dem als Feuerungsmittel fungierenden Rost 16 verbrannt. Nichtbrennbare Bestandteile dieses Brennstoffs werden dem Feuerungsraum 12 über die Reststoffabführung 15 abgeführt. Als zusätzliches, die Rostfeuerung unterstützendes Feuerungsmittel kann der Brenner 3 dienen, der hierfür auf nicht eingezeichnete Weise mit einem weiteren Brennstoff versorgt werden müßte.

Von der bei diesen Verbrennungsvorgängen entstehenden Flamme 2 und von dem in Pfeilrichtung durch den Feuerungsraum 12 und das Abgasrohr 5 des 3-Zug-Strahlungskessels 13 strömenden Abgas 4 wird über die Strahlungsheizfläche 17 und über Teile der Wandung des Ab gasrohrs 5 Wärme in den Wärmeträgerbereich 7 abgegeben. Der Wär meträgerbereich 7 wird zur Aufnahme und Abführung dieser Wärme kontinuierlich mit dem Wasser oder Wasserdampf als Wärmeträger durchströmt. Hierfür sind am Wärmeträgerbereich 7 ein Rücklauf und ein Vorlauf vorgesehen, die nicht in Fig. 2 eingezeichnet sind.

Zur Erhöhung der von der Flamme 2 und dem Abgas 4 über die Strah lungsheizfläche 17 bzw. die Wandung des Abgasrohrs 5 auf das Wasser oder den Wasserdampf übertragenen Wärmeleistung sind die Strah lungsheizfläche 17 und die vorerwähnten Teile der Wandung des Abgas rohrs 5 mit der selektiven Schicht 10 versehen.

Fig. 3 zeigt den typischen Intensitätsverlauf der bei rußfreier Verbren nung von Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen von der Flamme emit tierten Wärmestrahlung, aufgetragen gegen ihre Wellenlänge. Der für Temperaturstrahlung typischen kontinuierlichen Verteilung sind meh rere ausgeprägte Intensitätsmaxima überlagert, die mit λ₁, λ₂, λ₃ und λ₄ bezeichnet sind und im µm-Bereich liegen.

Die Selektivität der selektiven Schicht kann so ausgestaltet sein, daß sie Maxima besitzt in Wellenlängenbereichen, die den in Fig. 3 dargestellten Maxima der Wärmestrahlungsemission der Wärmequelle entsprechen.

Fig. 4a zeigt die schematische Schnittdarstellung einer flächigen Nadel struktur, Fig. 4b die einer flächigen Pyramidenstruktur.

Die beiden dargestellten Flächenstrukturen stellen mögliche Ausfüh rungsformen einer selektiven Schicht dar. Insbesondere kann das Peri odizitätsintervall dieser Strukturen, jeweils mit λi bezeichnet, minde stens einem der in Fig. 3 aufgezeigten Intensitätsmaxima der Wär mestrahlung der Wärmequelle entsprechen, so daß die selektive Schicht an mindestens einem der Intensitätsmaxima ihre höchste Selektivität besitzt.

Bezugszeichenliste

1

Flammrohr

2

Flamme

3

Brenner

4

Abgas

5

Rauchrohr bzw. Abgasrohr

6

Abgasabführung

7

Wärmeträgerbereich

8

Rücklauf

9

Vorlauf

10

selektive Schicht

11

Abfluß

12

Feuerungsraum

13

3-Zug-Strahlungskessel

14

Brennstoffzuführung

15

Reststoffabführung

16

Rost

17

Strahlungsheizfläche

Claims

1. Vorrichtung zur Erhitzung eines Wärmeträgers mit einem zur Er zeugung einer Wärmequelle ausgebildeten Feuerungsmittel (3, 16), einem Wärmeträgerbereich (7) und einer zwischen der Wär mequelle und dem Wärmeträgerbereich (7) befindlichen Wandung, insbesondere einer Kessel- oder Rohrwandung, gekennzeichnet durch eine an mindestens einer Seite der Wandung befindliche, die Ab sorption der von der Wärmequelle stammenden Wärmeleistung in der Wandung begünstigende und/oder die Emission der von der Wandung stammenden Wärmeleistung in Richtung der Wärme quelle behindernde selektive Schicht (10).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die selektive Schicht (10) auf der der Wärmequelle zuge wandten Seite der Wandung befindet.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Selektivität der selektiven Schicht (10) in einem oder mehreren Wellenlängenbereichen der von der Wärmequelle emit tierten Wärmestrahlung ein Maximum aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängenbereiche maximaler Selektivität denjenigen Wellenlängenbereichen entsprechen, an denen ein Intensitätsma ximum der von der Wärmequelle emittierten Wärmestrahlung vorhanden ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Schicht (10) Hervorhebungen und/oder Vertie fungen aufweist, die insbesondere eine Mikrostruktur bilden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Schicht (10) eine Nadel-, Trapez-, Pyramiden- oder Kristallgitterstruktur oder eine Kombination hieraus umfaßt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Schicht (10) durch Behandlung einer Oberfläche der Wandung hergestellt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Schicht (10) durch Kathodenzerstäubung (Sputtern), Galvanisierung, Kerbung, Bürsten, Polieren, Schleifen, Beaufschlagung mit Laserstrahlung oder durch eine Kombination der vorgenannten Methoden hergestellt ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Schicht (10) durch Aufbringen einer zusätzlichen Schicht auf die Wandung hergestellt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Schicht durch galvanische Beschichtung, Aufsintern, Aufdampfen, Aufbringen von Folien, Aufbringen von Filtern, insbesondere Interferenz- und Halbleiterfiltern, oder durch eine Kombination der vorgenannten Methoden hergestellt ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem am oder im Feuerungsmittel (3, 16) stattfindenden Verbrennungsvorgang entstehende Flammen (2) und/oder Abgase (4) als die Wärmequelle dienen.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle durch Verbrennung von wasserstoffhaltigem und/oder kohlenstoffhaltigem Brennstoff erzeugbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle durch Verbrennung von Erdgas, Wasser stoff, Heizöl, Kohle oder anderen anorganischen oder organischen Brennstoffen erzeugbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle durch Verbrennung von Abfallbrennstoff, insbesondere von Haus- und Industriemüll, Klärschlamm, Re chengut, Filterkuchen, Faulgas oder pflanzlichem Abfall, erzeug bar ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung zumindest durch einen Bereich eines Flamm rohrs (1), eines Rauchrohrs (5), eines Abgasrohrs (5), eines Flamm- und/oder Rauchrohrkessels mit einem oder mehreren Zügen, eines Strahlungskessels (13), eines Abhitzekessels, einer Strahlungsheizfläche (17), eines Feuerungsraums (12) oder einer Wärmetauscherfläche gebildet ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträgerbereich (7) zur Aufnahme von flüssigen, gasförmigen und/oder festen Wärmeträgern ausgelegt ist.

17. Wärmekraftmaschine, insbesondere Verbrennungsmotor, Turbi ne, Stirlingmotor oder Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseite eines Brennraums, eine Wärmetauscherfläche der Maschine und/oder ein bewegliches Teil der Maschine, insbe sondere ein Kolben oder eine Turbinenleitschaufel zumindest be reichsweise mit einer selektiven Schicht gemäß dem Kennzeichen eines oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 16 versehen ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Schicht zumindest teilweise aus katalytisch wir kendem Material besteht.