Nachbrenner für ein Heizungsgerät
Die Erfindung betrifft einen Nachbrenner für ein
Heizungsgerät mit Brennerraum und darin angeordnetem Brenner, wobei der Nachbrenner im wesentlichen ein Hohlzylinder ist, der sich über den gesamten Strömungsquerschnitt des Brenners erstreckt, auf einem Kreis liegende Öffnungen mit dazwischen auf der Innenseite des Hohlzylinders angeordneten Lamellen aufweist, eine Querschnittsverengung innerhalb des Brennerraumes bildet und im Bereich des Auslasses des Brennerrohres im Abstand hierzu ange- bracht ist.
Ein derartiger auf denselben Anmelder zurückgehender Nachbrenner (EP 0 266 377 B 2) wird in Heizkesselanlagen verwendet, die mit einem öl- oder gasbe- triebenen Gebläse- oder Zerstäubungsbrenner ausgestattet sind und beispielsweise zur Raumheizung oder zur Warmwasserproduktion eingesetzt werden. Dabei ist der Nachbrenner im Brennerraum in einer Achse mit dem Brennerrohr und im Abstand zu dessen Mündung angeordnet. Aufgrund der Tatsache, daß sich der Querschnitt des Nachbrenners über den gesamten Strömungsquerschnitt des Brenners erstreckt, müssen die austretenden Flammen und Abgase vollständig in den Nachbrenner eintreten und diesen passieren. Da sie dort eine höhere Strömungsgeschwindigkeit aufweisen als sie die Gase in der umliegenden Brennkammer besitzen, ergibt sich im Nachbrenner ein niedrigerer statischer Druck, durch den warmes Gas
aus der Brennkammer durch die Öffnungen in den Nachbrenner eingesaugt wird, wo es sich mit den Abgasen turbulent vermischt, ein Prozeß, der durch die zwischen den Öffnungen befindlichen Lamellen noch zusätzlich unterstützt wird. Diese Durchmischung des Abgas-Luft-Gemisches führt in Verbindung mit den durch das heiße Abgas bis zum Glühen aufgeheizten Wandungen des Nachbrenners zu einer Verbrennung von bisher unverbrannten Bestandteilen des Brennstoffes. Insgesamt bewirkt der Nachbrenner also eine wesentlich bessere und vollständigere Verbrennung des eingesetzten Brennstoffes und damit einen geringeren Brennstoffbedarf sowie eine schadstoffärmere Zusammensetzung der Abgase bei weitgehender Rußfreiheit und eine Selbstreinigung des Brennerraumes.
Für eine wirtschaftlich arbeitende Heizkesselanlage ist eine weitgehend verlustfreie Weiterleitung der bei der Verbrennung freigesetzten thermischen Energie an die Wärmetauscherplatten und damit an das beheizte Medium wesentlich. Dieser Wärmetransport erfolgt hauptsächlich durch Konvektion, deren Effizienz sich durch geeignete Strömungen und Verwirbe- lungen der Verbrennungsgase steigern läßt. Darüber- hinaus spielt auch der Energietransport durch elektromagnetische Strahlung vom Nachbrenner zum Wärmetauscher noch eine Rolle.
Vor diesem Hintergrund hat es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe gesetzt, derartige Nachbrenner im Hinblick auf eine Verbesserung der Gasumwälzung und der Wärmeabstrahlung weiter zu entwickeln,
um die Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit von Heizkesselanlagen weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Nachbrenner auf dem Umfang axial verlaufende und nach außen weisende Rippen besitzt, an seinem Ende einen umlaufenden Ringwulst aufweist und aus einem keramischen Werkstoff besteht.
Der umlaufende Ringwulst an der Abgasaustrittsseite des Nachbrenners dient als Leitfläche zur Führung der Gasströmung. Er fördert eine großräumige Ab- gasumlenkung, die einerseits die Gasrückführung in den Nachbrenner durch die dafür vorgesehenen Öff- nungen verbessert, vor allem aber die Verweildauer der Abgasmassen im Brennerraum verlängert, wodurch sich eine bessere Wärmeabgabe der heißen Verbrennungsgase an die Wärmetauscherfläche ergibt. In Verbindung mit den axial verlaufenden und in ihn mündenden Rippen bildet der Ringwulst eine Art tragendes Gerüst, das dem Körper des Wärmetauschers eine hohe Stabilität verleiht, die es ermöglicht, die Wandungen des Wärmetauschers sehr dünn zu gestalten, wodurch ein guter Wärmeübergang aus dem Inneren des Wärmetauschers an seiner Außenseite gewährleistet ist. Darüberhinaus stabilisieren Ringwulst und Rippen den Körper des Nachbrenners auch gegen radiale Schwingungen, die durch Pulsationen der Brennerflamme angeregt werden, und vermindern somit unerwünschte Geräuschemissionen bei Betrieb des Nachbrenners und erhöhen gleichzeitig seine Lebensdauer. Ein zusätzlicher Vorteil der Rippen besteht darin, daß sie die Abstrahlfläche des Nach-
brenners beträchtlich vergrößern und damit den Energietransport zu den Wärmetauscherflächen durch elektromagnetische Strahlung begünstigen. Die Verwendung eines keramischen Werkstoffs für den Nach- brenner verleiht diesem eine hervorragende Temperaturbeständigkeit und Resistenz gegen aggressive chemische Substanzen im Abgas, wie insbesondere schwefelhaltige Verbindungen, beispielsweise Schwefeldioxid oder schweflige Säure, die bei Verwendung schwefelhaltiger Brennstoffe entstehen. Diese Eigenschaften stellen eine notwendige Vorraussetzung für eine hohe Lebensdauer des Nachbrenners dar.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann die Außenseite des Nachbrenners mit einer vorzugsweise axial verlaufenden Riffelung versehen werden. Auf diese Weise wird die Oberfläche des Nachbrenners weiter vergrößert und dadurch ihre Abstrah- lung, sowie der Wärmeübergang auf umgebendes küh- leres Gas gefördert.
Als keramischer Werkstoff zur Fertigung des Nachbrenners wird in der bevorzugten Ausbildung der Erfindung Mullit-gebundenes Siliciumcarbid vorge- schlagen. Bei Mullit handelt es sich um ein Aluminiumsilikat, das sich durch eine hohe Feuerfestigkeit, eine gute Temperaturwechselbeständigkeit sowie eine niedrige thermische Ausdehnung auszeichnet. Hier dient es vor allem dazu, das den Hauptbe- standteil der Keramik bildende Silciumcarbid zuverlässig zu binden. Die Verwendung von Siliciumcarbid als Werkstoff für den Nachbrenner ist aus mehreren Gründen vorteilhaft. Zunächst einmal ist Silicum-
carbid temperaturbeständig bis zu 2300°C und dabei resistent gegen Chlor, Sauerstoff, Schwefel und starke Säuren. Weiterhin ist bei der Arbeitstemperatur des Nachbrenners eine thermische Abstrahlung hauptsächlich im nahinfraroten Spektralbereich zu erwarten, wo Siliciumcarbid einen sehr hohen spektralen Emissionskoeffizienten besitzt, der zwischen 0,9 und 0,95 liegt, während bei Metallen ein Wert von 0,3 typisch ist. Dies begünstigt eine sehr ef- fiziente Abstrahlung der Wärmeenergie vom Nachbrenner zu den Wärmetauscherflächen. Schließlich fördert Siliciumcarbid auch die Verbrennung von Brennstoffresten und Ruß durch einen katalytischen Effekt in seiner Oberfläche. Dieser ist dadurch be- dingt, daß das zur Herstellung des Nachbrenners verwendete Siliciuracarbidpulver paramagnetische Eigenschaften aufweist. Daher treten an den durch die Porosität des Materials stark vergrößerten Oberflächen magnetische Mikrofeider auf, die angelagerte Brennstoff oleküle ausrichten, wodurch ein Aufbrechen ihrer Bindungen und ihre Reaktion mit Sauerstoff begünstigt wird.
Für die Herstellung des Mullit-gebundenen Silicium- carbid wird eine bevorzugte Mischung vorgeschlagen, die zu 90% aus Silicumcarbidpulver besteht und bei der sich die übrigen 10% aus einem Gemisch aus Ton und Tonerde zusammensetzen.
Bei Verwendung größerer Brennstoffmengen erhöht sich auch der Abgasdurchsatz und damit die Strömungsgeschwindigkeit durch den Nachbrenner. Daher kann es bei zu hohen Abgasdurchsätzen vorkommen,
daß die im Abgasstrom enthaltenen Brennstoffreste im Nachbrenner nicht mehr vollständig der Verbrennung zugeführt. Um auch unter diesen Bedingungen einen vorteilhaften und wirkungsvollen Einsatz des Nachbrenners zu ermöglichen, wird in einer Fortbildung der Erfindung vorgeschlagen, den Nachbrenner mit zylindrischen Verlängerungsstücken auszustatten, die auf den Nachbrenner aufgesteckt werden, um sein Volumen an erhöhte Gasdurchsätze anzupassen.
Bei Betrieb des Nachbrenners mit erhöhtem Abgas- durchsatz kann zusätzlich zu einer Verlängerung des Nachbrenners auch eine Vergrößerung der Abgasrückführung aus der Brennkammer in den Nachbrenner wün- sehenswert sein. Hierfür wird vorgeschlagen, die Zwischenstücke so zu gestalten, daß zwischen den einzelnen Verlängerungsstücken oder auch zwischen Nachbrenner und erstem Verlängerungsstück Öffnungen, wie beispielsweise Zwischenschlitze entstehen, durch die zusätzliches Gas in den Nachbrenner eintreten kann.
Zusätzlich oder auch alternativ dazu kann die Gaszufuhr aus dem Brennerraum zum Nachbrenner auch durch Öffnungen, die auf dem Umfang einzelner Verlängerungsstücke angeordnet sind, verbessert werden.
Der Nachbrenner erreicht bei Betrieb sehr hohe Tem- peraturen und bedarf daher einer entsprechend hitzebeständigen Halterung. Hierfür werden keramische Lager vorgeschlagen, die den Nachbrenner tragen und
die ihrerseits beispielsweise auf einem feuerfesten Schamottunterbau montiert sein können.
Üblicherweise wird der Nachbrenner in Heizkesselan- lagen eingesetzt, in denen die erzeugte Verbrennungswärme vermittels Konvektion und Strahlung zu Wärmetauschern geleitet wird, die damit ihrerseits ein Heizmedium erhitzen. Als Alternative hierzu wird in einer Weiterbildung vorgeschlagen, die im Betriebszustand sich entwickelnde hohe Oberflächentemperatur des Nachbrenners direkt zur Dampferzeugung auszunutzen, indem die zu verdampfende Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, auf seine Oberfläche gesprüht wird. Diese Technik kann auch dazu eingesetzt werden, Flüssigkeiten von schwerflüchtigen Verunreinigungen zu trennen, die beim Verdampfungsprozeß auf der Oberfläche des Nachbrenners zurückbleiben.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich dem nachfolgenden Beschreibungsteil entnehmen, in dem anhand von Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläu- tert ist. Es zeigen
- Figur 1 eine Seitenansicht des Nachbrenners in sche atischer Darstellung.
- Figur 2 eine Frontansicht der Abgaseintrittseite des Nachbrenners.
In der schematischen Seitenansicht des Nachbrenners in Figur 1 ist links die Eintrittsöffnung (1) dar-
gestellt, durch die die Verbrennungsgase in den Nachbrenner eintreten. In der sich anschließenden konusformigen Erweiterung des Nachbrenners sind die Öffnungen (2) mit den dazwischen liegenden Lamellen angeordnet, durch die Gas aus dem Verbrennungsraum in den Nachbrenner eingesaugt wird, wo es sich mit den Verbrennungsgasen turbulent vermischt. Die auf dem Umfang axial verlaufenden und nach außen weisenden Rippen (3) des Nachbrenners dienen ebenso wie der an seiner Austrittsöffnung umlaufende Ringwulst (4) zur Stabilisierung des Körpers, wobei die Rippen zusätzlich die Abstrahlfläche des Nachbrenners vergrößern, während der Ringwulst zur Strö- mungsumlenkung dient.
In Figur 2 ist eine schematische Darstellung der Frontansicht des Nachbrenners mit der Eintrittsöffnung für die Verbrennungsgase (1) , den Öffnungen (2) für die Gaszufuhr aus dem Verbrennungsraum. So- wie den auf dem Umfang axial verlaufenden Längsrippen (3) zu sehen. Zusätzlich erkennt man noch die keramischen Lager (5) , auf denen der Nachbrenner ruht.
Insgesamt erhält man einen Nachbrenner, der durch seine abstrahlungs- und strömungstechnischen Eigenschaften in Heizkesselanlagen unter Beibehaltung der hervorragenden Abgaswerte bisheriger Systeme eine beträchtliche Brennstoffersparnis (20-30% wur- den erreicht) bewirkt und damit einen besonders wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Betrieb erlaubt.