Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Verbrennen eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs in einem Heizkessel, insbesondere in einem Brennwert-Heizkessel, mittels eines Blaubrenner gemäss Oberbegriff von Anspruch 1, einen Heizkessel gemäss Oberbegriff von Anspruch 36, sowie eine Therme mit einem Heizkessel.

Stand der Technik

Ein „Gelbbrenner" ist ein Brenner, der mit sichtbarer „gelber Flamme" brennt. Er beschreibt die klassische Bauform eines Öldruckzerstäubungsbrenners, bei dem eine Pumpe den Brennstoff Öl über eine Düse leitet und fein zerstäubt. Nach der notwendigen Vorwärmung entsteht dabei ein feiner Sprühnebel. Dieser wird durch einen elektrischen Lichtbogen entzündet, und der gesamte Ölnebel des nachströmenden Heizöls verdampft in der Flamme, bis die Brennstoffzufuhr unterbrochen wird. Durch die hohen Temperaturen und den mangelnden Sauerstoff in der Verbrennungszone steigen die Stickoxidemissionen in diesem Bereich. Außerdem entsteht Ruß, dessen Partikel die leuchtend gelbe Flammfarbe verursachen. Die Folge davon sind hohe Abgaswerte (CO, NOx), Russ und Verkoksung des Brenners.

Ein charakteristisches Merkmal eines Gelbbrenners ist die Stauscheibe, die den Ölnebel mit der nötigen Verbrennungsluft vermischen soll. Sie teilt den Luftstrom in der Regel in drei Teilströme, die auf unterschiedlichen Wegen in den Brennraum gelangen. Während die Primärluft durch eine Öffnung mit dem Ölnebel strömt, gelangt die Sekundärluft über einen Spalt zwischen Brennerrohr und Stauscheibe in den Brennraum. Zusätzlich strömt Luft auch über tangentiale Schlitze in den Brennraum. Sie geben der Flamme einen gewissen Drall, sodass sich Verbrennungsluft und Ölnebel besser vermischen. Darüber hinaus entsteht durch den dritten Luftstrom auch ein Luftpolster, der die Stauscheibe vor zu hoher thermischer Belastung schützt. Der Durchmesser dieser Stauscheiben bei Kleinbrennern ab ca. 22 kW beträgt min. 50 mm bis 65 mm. Die Pressung der Verbrennungsluft vor dieser Stauscheibe beträgt max. ca. 5 mbar. Die Pressung der Verbrennungsluft wurde bis in die 90er Jahre durch den Brennermotor mit Gebläserad mit bis zu 2'800 U/Min. (Standardmotor) erzeugt.

Vor allem ältere Gelbbrenner benötigen mehr Luft für die Verbrennung. Experten sprechen dabei von einem höheren Luftüberschuss. Das sorgt jedoch auch für höhere Abgasmengen und steigende Abgasverluste. Gelbbrenner arbeiten daher weniger effizient und die Heizkosten fallen höher aus. Auch die Rußzahl der Gelbbrenner ist im Vergleich mit Blaubrennern höher, wodurch die staubförmigen Emissionen größer ausfallen. Moderne Geräte, die anfangs der neunziger Jahr entwickelt wurden, arbeiten durch eine optimierte Abgasrückführung sauberer und sparsamer. Die Funktionsweise eines Blaubrenners ähnelt beim Starten des Verbrennungsprozesses stark derjenigen eines Gelbbrenners. Nach wenigen Sekunden zeigen die Unterschiede an der Konstruktion dann jedoch ihre Wirkung: Ein hinter der Düse erzeugter Unterdrück saugt heiße Abgase aus dem Flammrohr zurück. Diese verdampfen den Ölnebel und ermöglichen eine deutlich bessere Mischung mit der Verbrennungsluft. Die Flamme brennt dann wie bei einem Gasbrenner und leuchtet in der typisch blauen Farbe.

Rezirkulationsöffnungen am Anfang des Flammrohrs saugen außerdem abgekühlte Verbrennungsgase aus dem Feuerraum. Diese senken die Verbrennungstemperatur und damit auch die Stickoxidemissionen der Blaubrenner. Diese kommen mit einem geringeren Luftüberschuss aus und erreichen niedrigere Abgasverluste als Gelbbrenner. Die Geräte nutzen die Brennstoffe besser aus und senken damit die Heizkosten. Ein weiterer Vorteil liegt im höheren CO2-Gehalt der Abgase. Denn der höhere CO2-Gehalt hebt den Taupunkt an und begünstigt somit den Brennwert-Effekt.

Der Feuerraumdruck im Heizkessel bei dessen Maximalleistung beträgt meist ungefähr minus 0.05 mbar. Der Hauptgrund des geringen Unterdrucks auch bei Nennleistung liegt darin, dass keine Abgase aus dem Feuerraum in den Heizungsraum eintreten können.

Diese Prüfbedingung für die Zulassung beim TÜV haben bei den Brennerherstellern insbesondere im Kleinleistungsbereich von ca. 25 kW/h dazu geführt, dass jahrzehntelang die Gebläsepressung am Brenner zwischen 2 mbar und max. 5 mbar ausgelegt worden sind.

Entsprechend haben sich die Entwicklungen und Verbesserungen an Ölbrenner kleiner Leistung (17.5 kW bis 25 kW) in Abstimmung mit der Gebläsepressung von max. 4 mbar konzentriert. Aus diesem Grund sind praktisch alle Patente im Zusammenhang des Brennerkopfes und der Stauscheibe für einen niedrigen Gebläsedruck ausgelegt worden. Die Regelbarkeit eines solchen Brenners beträgt 25% bis max. 30%.

Der Durchmesser einer Stauscheibe für den klassischen Zerstäuberbrenner beträgt bei praktisch allen Fabrikaten mit Kleinstleistung von ungefähr 25 kW mindestens ca. 60 mm oder mehr. Der Innendurchmesser der Öffnung in der Stauscheibe für die Zerstäuberdüse beträgt minimal 18 mm. Rezirkulationsströmungen für Abgase können mit den eingesetzten schwachen Gebläsepressungen nur bedingt beeinflusst werden und führen rasch zu Instabilität.

Schwefelarme Brennstoffe und flüssige Bio-Brennstoffe bilden eine grosse Gefahr für das sog. «Metal Dusting», insbesondere wenn diese Brennstoffe gemischt werden und das Mischverhältnis über 10% liegt. «Metal Dusting» wird vor allem dann begünstigt, wenn Brennstofftröpfchen auf heisse Metallteile wie Flammrohre etc. auftreffen und im Beisein von Sauerstoff und Verbrennungsgasen verdampfen. Lange Nachzündzeiten begünstigen das Entstehen von «Metal Dusting» zusätzlich, weil die Zündhochspannung in einem Flammenplasma zu pulsierendem Gleichstrom führt und Kohlenstofftürmchen (Nanotube) an der Metalloberfläche entstehen. Wenn bei diesem Prozess kleine Krater an der Metalloberfläche entstehen, ist «Metal Dusting» nicht mehr aufzuhalten.

Das europäische Patent EP 0970327 offenbart einen mit einem Blaubrenner ausgerüsteten Heizkessel mit einem einen Kesselraum umhüllenden Gehäuse und einem mantelförmigen Wärmetauscher, welcher den Kesselraum in eine Brennkammer und eine Abgaskammer aufteilt und über die Mantelfläche verteilt Durchlässe für heisse Verbrennungsgase aufweist. In der Brennkammer ist ein Brennerkopf angeordnet, welcher ein Flammrohr mit einer axialen Flammöffnung aufweist. In Abstand von der Flammöffnung ist ein Flammenumlenkteil vorgesehen, das derart ausgebildet ist, dass die Flamme in den Raum zwischen Flammrohr und Wärmetauscher umgelenkt wird. Ausserdem sind die Durchlässe für heisse Verbrennungsgase auf die ganze Länge der Brennkammer verteilt angeordnet. Der offenbarte Heizkessel mit Brenner hat den Vorteil, dass er sehr kurz gebaut werden kann, weil die Flamme um 180 Grad umgelenkt wird und dadurch genügend Zeit für eine vollständige Verbrennung gegeben ist.

Die W02004038291A1 offenbart einen Brennerkopf, der ohne Flammrohr auskommt und dennoch eine gute Stabilität der Flamme erreicht. Der Brennerkopf weist eine Blende mit wenigstens zwei, vorzugsweise vier Öffnungen mit einheitlich geneigten Leitschaufeln auf, die der Zuführung von Zuluft zu einem Feuerraum dienen. Zwischen den Öffnungen sind Stauschaufeln zur Bildung von peripheren Unterdruckzonen zwischen den Zuluftstrahlen ausgebildet. Die Zuluftstrahlen sind durch die Leitschaufeln in eine bezüglich einer Achse geneigte Lage gelenkt. Somit divergieren die Zuluftstrahlen und bewirken dadurch eine zentrale Unterdruckzone um die erwähnte Achse zwischen den Zuluftstrahlen. Durch den zentralen Unterdrück und die Neigung der Zuluftstrahlen wird eine Rotation der Zuluft erreicht. Im Betrieb des Brenners werden Heissgase von aussen in die peripheren Unterdruckzonen und entgegen der Strömungsrichtung der Zuluft in die zentrale Unterdruckzone zwischen die Zuluftstrahlen eingesogen. Diese Strömungsverhältnisse schaffen ideale Verhältnisse für die Verbrennung von gasförmigem, flüssigem und/oder partikelförmigem Brennstoff in einer ruhigen, kühlen und schadstoffarmen Flamme. Diese Art der Verbrennung soll praktisch unabhängig von der Feuerraumgrösse und Feuerraumform sein.

Die EP-A-0867658A1 zeigt einen unabhängig vom Feuerungsraum abgasarm und ruhig brennenden Ölbrenner zur Verbrennung von flüssigem Brennstoff mit Abgasrezirkulation, bei welchem Luft durch eine zentrale Luftöffnung in ein Flammrohr geblasen und Abgas durch Sogwirkung der Luft durch Rezirkulationsöffnungen so in das Flammrohr rückgeführt wird, dass es die zentrale Luftströmung ummantelt. Der Brennstoff wird in Strömungsrichtun vor der Flammenwurzel in das den Luftstrom ummantelnde Abgas gesprüht, wo er verdampft. Der verdampfte Brennstoff wird erst dann zusammen mit dem Abgas mit der Luft verwirbelt.

Ein nach diesem Verfahren arbeitender Brenner hat eine zentral angeordnete Brennstoffdüse mit Kegelmantelcharakteristik und eine Stauscheibe mit einer Luftöffnung. In Strömungsrichtung an die Stauscheibe anschliessend gibt es ein Flammrohr, welches direkt bei der Stauscheibe umlaufende, ca. 1 mm breite Rezirkulationsschlitze und in Stauscheibennähe runde Rezirkulationsöffnungen mit einem Durchmesser von ca. 6 mm zum Einlass von Abgas in ein Unterdruckgebiet in Strömungsrichtung hinter der Stauscheibe aufweist. Die Sprühöffnung der Brennstoffdüse liegt etwa in der Ebene der Unterdrück erzeugenden Stauscheibe. Die Stauscheibe weist lediglich eine Öffnung auf, welche einen ringförmig konzentrisch um die Brennstoffdüse herum angeordneten Lufteinlass bildet. Leitbleche, die in einem Winkel zwischen 60 und 88 Grad angeordnet sind, versetzen die in das Flammrohr einströmende Luft in Rotation. Im Betrieb des Brenners wird Abgas aus dem umliegenden Feuerraum einerseits durch die Rezirkulationsschlitze und andererseits durch achtzehn runde Rezirkulationsöffnungen im Abstand von der Stauscheibe angesaugt. Das durch die Rezirkulationsschlitze angesaugte Abgas verhindert Russablagerungen an der Stauscheibe. Die Vermischung von Brennstoff und Luft erfolgt im Bereich der Zündelektrodenspitzen, d.h. im Abstand von etwa 2/5 der Länge des Flammrohres, das im gezeigten Ausführungsbeispiel 160 mm lang ist. Das Flammrohr besitzt am Ende eine Einschnürung, die ein Ausströmen des Gases aus dem Mantelbereich behindert und dadurch eine Verwirbelung von Verbrennungsluft und Brennstoff begünstigt. Durch diese Merkmale wird angeblich ein sehr gutes Kaltstartverhalten erreicht, und es entsteht gemäss Patentbeschreibung eine hohle und kühle Flamme.

Das deutsche Gebrauchsmuster DE 9012 283.6 U beschreibt einen Brenner für flüssige oder gasförmige Brennstoffe mit einem in seinem flammseitigen Endabschnitt konisch konvergierenden Flammrohr, einer konzentrisch im Flammrohr am Ende eines Düsenrohrs angeordneten Zerstäuberdüse mit Hohlkegelcharakteristik und einer gegenüber der Mündungskante des Flammrohrs nach innen versetzten, kreisförmigen Stauscheibe, die eine zentrale Durchgangsbohrung und mehrere radiale Drallschlitze mit schrägen Luftleitflächen aufweist. Die Stauscheibe ist an ihrem Umfang mit einer flammseitigen Ringwand versehen ist, welche durch radiale Zentrierstege des Flammrohrs zentriert ist und mit dem Endabschnitt des Flammrohrs einen offenen Ringspalt bildet. Von Bedeutung ist, dass die Luftleitflächen einen Winkel von etwa 30° zur Radialebene der Stauscheibe verlaufen und zerstäuberdüsenseitig angeordnet sind. Der Abstand zwischen der Zerstäuberdüse und der Stauscheibe beträgt maximal 3 mm. Im Betrieb des Brenners herrscht im Flammrohr ein Druck von etwa 8 bis 10 mbar. Durch die vorgeschlagene Luftführung wird eine äussere Rezirkulation in einer Rezirkulationszone von einer gelben Flammzone in die Flammwurzel erreicht.

Das deutsche Patent DE 4008 692 C2 offenbart eine Mischeinrichtung für Ölgebläsebrenner, bestehend aus einem Mischrohr als Durchlaß für die Verbrennungsluft, das sich an seinem vorderen Ende konisch auf einen Auslaßdurchmesser verjüngt. Im Mischrohr ist im Bereich der konischen Verjüngung eine Stauscheibe angeordnet, welche mittels einer Halterung an einem Düsenstock befestigt ist. Düsenstock und Stauscheibe sind im Mischrohr axial verschiebbar. Die Staubscheibe besteht aus einer kreisförmigen Scheibe mit einem zentralen Innenloch zur Einführung des Brennstoffs und eines ersten Teils der Verbrennungsluft in einen Verbrennungsraum, mit radialen Schrägschlitzen zur tangentialen Einführung eines zweiten Teils der Verbrennungsluft in den Verbrennungsraum und aus einem Ring an ihrem Außenumfang, zwischen dem und der Innenwand des Mischrohres ein dritter Teil der Verbrennungsluft in den Verbrennungsraum einleitbar ist. Das Mischrohr ist an seinem verjüngten vorderen Ende so weit radial einwärts gebogen, daß der Auslaßdurchmesser kleiner als der Durchmesser der Stauscheibe ist. Zudem ist die Höhe des stirnseitig zum Verbrennungsraum weisenden Ringes der Stauscheibe mindestens so groß wie der Durchmesser des Innenloches der Stauscheibe bemessen.

Gemäss einer Ausführungsform ist vor dem Mischrohr und koaxial mit diesem ein Vorsatzrohr angeordnet. Es ist mittels Halterungen am Mischrohr derartig befestigt, daß es das verjüngte vordere Ende überlappt. Dadurch wird zwischen dem Mischrohr und dem Vorsatzrohr ein Ringspalt gebildet, durch welchen eine tertiäre Rezirkulation erfolgt, indem kühlere Verbrennungsgase in den Randbereich der Flamme geführt werden, die dadurch weiter abgekühlt wird. In dieser Ausführungsform soll das Öl nahezu stöchiometrisch in einer absoluten Blauflamme verbrennen.

Der grosse Nachteil aller dieser Brennersysteme ist die Notwendigkeit der Einstellmöglichkeiten am Brennerkopf. Je nach Kesselfabrikat, Abgasleitung zum Kamin, Kamindurchmesser und Länge des Kamins muss der Brennerkopf durch axiale Einstellungen der Düsenstange zur Stauscheibe, sowie die radiale Öffnung an der Stauscheibe zum Brennerrohr mit viel Geschick eingestellt werden, damit die CO-Messungen und insbesondere der Russ entsprechend der Norm eingehalten werden.

Aufgabenstellung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verbrennen eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs in einem Heizkessel vorzuschlagen, das auf kleinstem Raum, d.h. in einem miniaturisierten Heizkessel, eine russfreie und schadstoffarme Verbrennung eines Brennstoffs, insbesondere von mineralischem oder pflanzlichem Öl, erlaubt. Ein Ziel ist es, einen Heizkessel vorzuschlagen, der noch kürzer gebaut werden kann als bisher bekannte Heizkessel und im Aufbau möglichst einfach ist. Auch sollten keine aufwändigen Justierarbeiten nötig sein, um den Brenner optimal einzustellen. Ein weiteres Ziel ist, einen Brenner vorzuschlagen, dessen Leistung über einen sehr grossen Bereich, d.h. entweder in Stufen oder vorzugsweise stufenlos, geregelt werden kann. Noch ein Ziel ist es, einen kostengünstig herstellbaren, miniaturisierten Heizkessel vorzuschlagen, der sich insbesondere für die spontane Erzeugung von Warmwasser eignet. Noch ein Ziel ist es, einen Brenner für einen Heizkessel vorzuschlagen, der bereits nach kürzester Zeit, d.h. insbesondere innerhalb weniger Sekunden, mit „blauer Flamme" brennt. Ein weiteres Ziel ist es, einen Brenner vorzuschlagen, der sich für die Verbrennung von erneuerbaren Brennstoffen (pflanzlichen Ölen etc.) eignet, d.h. keine Probleme wie „Metal Dusting" auftreten. Noch ein Ziel ist es, dass der Brenner ohne Ölvorwärmer betrieben werden kann.

Noch ein Ziel ist es, einen Brenner mit einer sehr kurzen Flamme zu realisieren, der zudem ein sehr kurzes Flammrohr benötigt, und die Flamme sehr stabil am Flammrohr hält, ohne dass dieses am Austritt der Flamme aus dem Flammrohr eingebördelt werden muss. Noch ein Ziel ist es, dass der Strömungsweg der oxidierenden Flamme durch Rotation innerhalb und ausserhalb des Flammrohrs drastisch verkürzt werden kann, so dass bereits beim Auftreffen der Flamme auf dem Umlenkteil die Oxidation der Heissgase grösstenteils abgeschlossen ist, bevor die heissen Verbrennungsgase nach einer Umlenkung um 90 ° beim Auftreffen auf das wendeiförmig gewickelte Wärmetauscherrohr mit Durchtrittsöffnungen die geforderten Emissionswerte unterschritten werden. Noch ein Ziel ist es, die Verbrennungsluftführung beim Durchtritt durch die Blende so zu gestalten, dass einerseits eine hohe Rotation der zugeführten Verbrennungsluft mit der Mischzone von Heissgasen und dem verdampften Brennstoff entsteht, und zum andern eine Blauflamme erzeugt wird, die im Flammrohr und ausserhalb des Flammrohrs mit hoher Rotation ausbrennt.

Definitionen:

Als „Heissgase" wird das oxidierende („brennende") Luft-Brennstoff-Gemisch bezeichnet.

Die „Flamme" ist der sichtbare Anteil der „Heissgase". Unter Flamme ist auch der unsichtbare Bereich der Flamme zu verstehen, bis die Oxidation in der Verbrennung unter die geforderten Werte gesunken ist.

Unter dem Begriff „Verbrennungsgase" werden die durch die Durchtrittsöffnungen des Wärmetauschers und aus dem Verbrennungsraum austretenden Gase bezeichnet.

Unter „Brennwert-Heizkessel" wird ein Heizkessel verstanden, bei welchem die Verdampfungsenthalpie von Wasser zurückgewonnen wird.

Ein „Blaubrenner" ist ein Brenner, der mit sichtbarer „blauer Flamme" brennt. Der „Feuerraum" bezeichnet den Raum, der vom zylindrischen Wärmetauscher, dem Flammenumlenkteil, dem Brennergehäuseboden und Stauscheibe begrenzt ist.

Der „Verbrennungsraum" bezeichnet den Raum innerhalb des Feuerraums, wo die Verbrennung im Grossen und Ganzen stattfindet.

Unter „Feuerraumbelastung"versteht man die Belastung eines Brenners pro m3 Feuerraum eines Kessels, bei dem die geforderten Abgaswerte bzw. strengsten Normen noch erreicht werden können. Herkömmliche Heizkessel erreichen die strengsten Abgasnormen nur bis zu einer Feuerraumbelastung bis ca. 1,6 MW pro m3 Feuerrauminhalt. Die Feuerraumbelastung ergibt sich aus dem pro Zeiteinheit zugeführten Energieinhalt des Brennstoffs mal das Volumen, das pro m3 Feuerraum beinhaltet ist.

„Metal Dusting" ist eine äußerst zerstörerische Art der Korrosion, die auftritt, wenn gefährdete Materialien einer kohlenstoffreichen Atmosphäre ausgesetzt sind. Die Korrosion äußert sich in der Zersetzung von massiven Metallen in Metallpulver.

„Unterdrück": Die in der Beschreibung angegebenen Drücke beziehen sich jeweils auf den Differenzdruck zum Umgebungsdruck, wobei die Umgebung auch der übrige Feuerraum sein kann. Ein Gebläsepressdruck von 30 mbar entspricht bei Normaldruck in absoluten Werten 1030 mbar.

Die in der Beschreibung gemachten Druckangaben sind relativ jeweils zum Umgebungsdruck von 1000 mbar, d.h. 1000 mbar ist gleich null.

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss Oberbegriff von Anspruch 1, das dadurch charakterisiert ist, dass die Gebläsepressung so eingestellt wird, dass stromabwärts der Blende bei Volllast des Brenners im Flammrohr eine Differenzdruckzone mit einem Differenzdruck von mindestens 0.25 mbar, vorzugsweise mindestens 0.30 und besonders bevorzugt von mindestens 0.35 mbar gegenüber dem Druck im Feuerraum zwischen dem Flammrohr und dem Wärmetauscher erzeugt wird. Der Feuerraumdruck wird dabei vorzugsweise im Bereich der ersten Flammrohrhälfte, d.h. zwischen den Rezirkulationsschlitzen und der Flammrohrmitte gemessen, vorzugsweise auf ungefähr der gleichen Höhe, wo im Flammrohr das Differenzdruckmaximum gemessen wird. Das erfindungsgemässe Verfahren hat den Vorteil, dass die Flamme bereits innert Sekundenbruchteilen blau brennt und dabei bereits unmittelbar nach dem Starten die geforderten Abgaswerte erreicht, ohne dass der Brennstoff vorgewärmt werden müsste. Ausserdem ist die Flamme sofort stabil, und die Leistung des Brenners kann in einem sehr grossen Leistungsbereich geregelt werden. Unter einer „stabilen Flamme" wird verstanden, dass die Flamme nicht flackert und die Emissionen betreffend den CO- Wert im Abgas stabil sind. Vorteilhaft wird die Verbrennungsluft derart in das Flammrohr geleitet, dass bei Volllast des Brenners die Differenzdruckzone im Abstand von der Stauscheibe, insbesondere im Abstand zwischen ungefähr 10 und 30 mm, vorzugsweise ungefähr 10 mm nach der Blende, ein Maximum beschreibt. Dadurch wird eine besonders stabile Flamme erzeugt.

Vorteilhaft wird zur Einstellung der gewünschten Brennerleistung in der Differenzdruckzone ein Differenzdruck zwischen 0.01 und ungefähr 0.5 mbar erzeugt. Dadurch verlängert sich die Verweilzeit der Heissgase im Flammrohr erheblich, sodass der Verbrennungsprozess praktisch vollständig abgeschlossen ist, wenn die rotierenden Heissgase auf das Flammenumlenkteil treffen. Das bedeutet, dass im Unterschied zur Lehre der eingangs zitierten EP-A-0970 327 eine Umlenkung der Heissgase um 180 Grad für eine vollständige Verbrennung nicht mehr erforderlich ist, sondern der Rezirkulation und Unterstützung der Verdampfung des zugeführten Brennstoffs dient.

Vorteilhaft wird das Brennstoff-Luft-Gemisch in einem Winkel in das Flammrohr geleitet derart, dass eine kurze buschige Flammenform erzeugt wird, sodass bis zur Umlenkung der Verbrennungsgase am Umlenkteil der Ausbrand zu mindestens 90 %, vorzugsweise mindestens 95 % und besonders bevorzugt zu mindestens 99.95 % erfolgt.

Vorteilhaft wird der Brennstoff in einer heissen, sauerstoffarmen Verdampfungs- und Vermischungszone verdampft, die sich in Strömungsrichtung ca. 5mm bis ca. 30mm nach dem Austritt aus der Düse befindet. Dies hat den Vorteil, dass das Brennstoff-Luft-Gasgemisch nach dem Austritt aus der Düsenöffnung praktisch augenblicklich verdampft werden kann.

Vorzugsweise werden zudem sauerstoffarme Verbrennungsgase aus dem das Flammrohr umgebenden Feuerraum in die Verdampfungs- und Vermischungszone, die sich ca. 5 mm bis ca. 30 mm nach dem Austritt des Brennstoffes aus der Düse befindet, rezirkuliert. Dies hat den Vorteil, dass sofort nach dem Starten des Brenners genügend Wärmeenergie vorhanden ist, um den Brennstoff zu verdampfen.

Zweckmässigerweise werden unmittelbar nach dem Zünden der Flamme sauerstoffarme Heissgase aus der Flammwurzel abgesaugt, sodass die eingespritzten Brennstoff-Aerosolteilchen unmittelbar verdampfen und sich anschliessend mit der Verbrennungsluft zu einem homogenen Brennstoff-Luft- Gasgemisch mit heissen sauerstoffarmen Verbrennungsgasen vermischen. Dies macht sich in einem extrem guten Kaltstartverhalten im Heizkessel bemerkbar.

Vorteilhaft lässt sich die Leistung mindestens einstufig, zweistufig, vorzugsweise dreistufig und besonders bevorzugt stufenlos dem Wärmebedarf anpassen. Dies hat den Vorteil, dass der Brenner weniger oft an- und abgeschaltet werden muss, was sich in einer längeren Lebensdauer äussert. Vorzugsweise kann die Leistung durch Variation der Gebläsepressung zwischen ungefähr 25% bis 100% der Volllast eingestellt werden. Dies ist im Vergleich zu konventionellen Ölbrennern ein bedeutend grösserer Einstellbereich.

Vorteilhaft wird das Brennstoff-Luft-Gasgemisch im Abstand von der Einlassdüse gezündet.

Zweckmässigerweise das Brennstoff-Luft-Gasgemisch in einem axialen Abstand zwischen 20 und 90 mm, vorzugsweise zwischen 25 und 80 mm und besonders bevorzugt zwischen 30 und 60 mm von der Düse entfernt gezündet. Vorteilhaft werden die Heissgase durch das Flammenumlenkteil um 90 Grad umgelenkt. Dadurch, dass der Verbrennungsprozess grösstenteils abgeschlossen ist, bevor die Heissgase auf das Flammenumlenkteil treffen, ist es nicht mehr von essenzieller Bedeutung, dass die Heissgase zur Verlängerung der Verweilzeit um 180 Grad in den Raum zwischen Flammrohr und Wärmetauscher umgelenkt werden. Zur Umlenkung der heissen Gase reicht eine ebene Keramikoder Schamottplatte. Auch kann das Umlenkteil gekühlt sein, weil der Verbrennungsprozess beim Auftreffen der Heissgasse auf das Umlenkteil schon weitgehend abgeschlossen ist.

Vorzugsweise werden die Heissgase teilweise zur Flammwurzel rezirkuliert. Dies hat den Vorteil, dass die Flamme nach längstens 3 Sekunden, vorzugsweise nach weniger als 2 Sekunden und besonders bevorzugt nach weniger als einer Sekunde blau brennt. Dies hat den Vorteil, dass der nach dem Verfahren betriebene Blaubrenner mit der Russzahl null brennt.

Durch das erfindungsgemässe Verfahren kann eine Feuerraumbelastung bei Volllast des Benners von mindestens 2 MW/m3, vorzugsweise mindestens 2,5 MW/m3 und besonders bevorzugt mindestens 3 MW/m3 erreicht werden. Die erwähnten Feuerraumbelastungen sind bedeutend höher als bei bekannten Brennwertkesseln.

Vorteilhaft wird eine Gebläsepressung von mind. 4 mbar bis max. 28 mbar, vorzugsweise mehr als 5 mbar und besonders bevorzugt mehr als 6 mbar erzeugt (gemessen in der Einströmkammer und vor der Blende). Dies hat den Vorteil, dass die Leistung des Brenners über einen sehr grossen Bereich geregelt werden kann.

Vorteilhaft wird die Brennerleistung über den Gebläse- und den Öldruck geregelt. Dies kann über die Heizkesselsteuerung und die Kopplung mit der Elektronik für die Ansteuerung der Permanentmagnetmotor-Ölpumpeneinheit erfolgen.

Vorteilhaft wird ein drehzahlgeregeltes Gebläse verwendet wird, das Drehzahlen vorzugsweise im Bereich zwischen ungefähr 3'500 bis 10'000 U/min einzustellen erlaubt. Dies erlaubt es, die Gebläsepressung und damit den Leistungsbereich sehr stark zu variieren. Dies hat zudem den Vorteil, dass im Feuerraum zwischen der Verdampfungszone und dem Zwischenraum zwischen Flammrohr und Wärmetauscher mit einer Gebläsepressung von 5 mbar bei Kleinlast und bis ungefähr 28 mbar bei Vollast beim Eintritt in das Flammrohr ein hoher Differenzdruck erzeugt werden kann.

Vorteilhaft wird die Verbrennungsqualität über einen Sensor erfasst. Als Sensor kann entweder ein Kohlenmonoxid-Sensor oder eine Lambda-Sonde verwendet werden. Dies erlaubt es, den Verbrennungsprozess über das Steuergerät und die gesteuerte Zugabe von Luft zu automatisieren und optimal einzustellen.

Zweckmässigerweise wird die Flamme mit Hilfe einer lonisationselektrode überwacht. Diese Lösung ist kostengünstig und erfordert keine Feinjustierung. Dies hat den Vorteil, dass die Brennstoffzufuhr sofort unterbrochen werden kann, wenn keine Flamme detektiert werden kann.

Vorteilhaft wird der Brenner mit einer Brennersicherheitsüberwachung überwacht. Für eine solche Brennersicherheitsüberwachung können Steuergeräte und Betriebsparameter verwendet werden, wie sie sonst bei Gasbrennern zum Einsatz kommen. Das heisst, der Brenner muss innert Sekunden nach dem Starten brennen, sonst wird er nach ca. 3 Sekunden Sicherheitszeit wieder abgeschaltet.

Vorzugsweise sind im Flammrohr Rezirkulationsschlitze oder -Öffnungen radial im Bereich der Verdampfungs- und Vermischungszone vorgesehen. Dies ermöglicht die Rückführung von Verbrennungsgasen aus dem Feuerraum in die Verdampfungs- und Vermischungszone. Auch wenn Rezirkulationsöffnungen flammrohrseitig direkt bei der Stauscheibe und zusätzlich im Abstand von 10 bis 30mm von dieser entfernt vorgesehen sein können, sind die Rezirkulationsöffnungen vorzugsweise ausschliesslich im Abstand zwischen 15 und 40 mm, vorzugsweise zwischen 20 und 35 mm vorgesehen.

Vorteilhaft werden bei einem Restsauerstoffanteil von 3% in den Verbrennungsgasen die strengsten Normen erfüllt. Diese betragen im Zeitpunkt der Abfassung dieser Anmeldung für CO max. 60 mg/kWh und die NOX Werte max. 120 mg/kWh, sowie die CXHY Werte von max. 10 ppm.

Vorteilhaft wird der Verbrennungsprozess so gesteuert, dass in den Verbrennungsgasen der CO- Anteil < 60 mg/m3, vorzugsweise < 30 mg und der NOx-Anteil <120 mg/m3, vorzugsweise < 70 mg/m3 ist.

Vorteilhaft wird der Brenner je nach gewünschter Leistung auf weniger als 60%, vorzugsweise weniger als 50% und besonders bevorzugt weniger als 40% seiner Maximalleistung geregelt.

Zweckmässigerweise wird die Permanentmagnetmotor-Ölpumpeneinheit einstufig oder zweistufig verwendet.

Vorzugsweise wird die Permanentmagnetmotor-Ölpumpeneinheit mit Elektronik und PWM Signal (Pulsweitenmödulation) mit dem PWM Signal der Elektronik vom Gebläsemotor gekoppelt. Gemäss einem unabhängigen Aspekt der Erfindung erfolgt die Zündung des Brennstoff-Luft-Gas- Gemischs seitlich durch eine seitliche Öffnung im Flammrohr. Dies hat den Vorteil, dass die Strömungsverhältnisse im Innern des Flammrohrs durch die Elektroden nicht gestört werden.

Vorteilhaft wird im Feuerraum ausserhalb des Flammrohrs, d.h. im Zwischenraum zwischen Wärmetauscher und Flammrohr, bei Volllast des Brenners ein Feuerraumdruck zwischen 0,7 und 2,5 mbar, vorzugsweise zwischen 0,8 und 2 mbar und besonders bevorzugt zwischen 0,9 und 1,5 mbar eingestellt. Im Allgemeinen wird vorzugsweise ein Überdruck von ca. 1 mbar im Zwischenraum zwischen Wärmetauscher und Flammrohr eingestellt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Brennwert-Heizkessel oder eine Brennwerttherme mit einem Blaubrenner, gemäss Oberbegriff von Anspruch 36. Der erfindungsgemässe Brenner ist dadurch charakterisiert, dass das Gebläse vorzugsweise in der Lage ist, eine hohe Gebläsepressung zu erzeugen und der Lufteinlass in das Flammrohr derart ausgebildet ist, dass bei Volllast des Brenners eine Differenzdruckzone mit einem Differenzdruck von mindestens 0.25 mbar, vorzugsweise mindestens 0.30 und besonders bevorzugt von mindestens 0.35 mbar gegenüber dem Druck im Feuerraum zwischen dem Flammrohr und dem Wärmetauscher erzeugbar ist.

Vorteilhaft weist die Blende eine Mehrzahl von in einem Winkel abstehenden Leitflügeln auf dergestalt, dass im Betrieb des Brenners bei Volllast eine Differenzdruckzone von mindestens 0.25 mbar, vorzugsweise mindestens 0.30 und besonders bevorzugt von mindestens 0.35 mbar gegenüber dem Druck im Feuerraum zwischen dem Flammrohr und dem Wärmetauscher erzeugbar ist. Vorzugsweise sind die Leitflügel in einem Winkel zwischen 20 und 40 Grad, vorzugsweise in einem Winkel von ungefähr 30 Grad, relativ zur Radialebene der Blende angeordnet.

Zweckmässigerweise sind die die Leitflügel als Leitschaufeln ausgebildet. Diese müssen so ausgebildet sein, dass im Betrieb des Brenners im Flammrohr ein möglichst hoher Differenzdruck erzeugt werden kann.

Vorzugsweise haben die Leitflügel im Ausgangszustand eine Trapezform, wobei bei der Herstellung der Leitflügel die Trapezdiagonalen im Wesentlichen auf der ganzen Länge verdreht werden. Dadurch kann die Verbrennungsluft, die praktisch ausschliesslich über die zentrale Öffnung der Blende in das Flammrohr gelangt, in Rotation versetzt und dadurch die Verweilzeit der Heissgase im Flammrohr verlängert werden. Die Leitflügel sind an einer Scheibe mit einer zentralen Öffnung ausgebildet, wobei die Leitflügel mittels eines Stegs mit der Scheibe verbunden sind. Die Stegbreite a der Leitflügel im Verhältnis zum Durchmesser d der Blende ist kleiner als ungefähr 10, vorzugsweise kleiner als 8 und besonders bevorzugt kleiner als 6. Vorteihaft sind die Leitflügel derart ausgebildet, dass die Verbrennungsluft in einem Winkel in das Flammrohr geleitet und in Rotation versetzt wird, wobei ein Differenzdruck erzeugt und ein Teil des Heissgase-Luft-Brennstoff-Gas-Gemischs einerseits aus der Flammwurzel und andererseits durch die Rezirkulationsöffnungen teilweise zur Blende rezirkuliert wird. Dies hat den Vorteil, dass der Brenner ein exzellentes Kaltstartverhalten aufweist.

Vorteilhaft hat die Blende wenigstens drei, vorzugsweise wenigstens fünf und besonders bevorzugt wenigstens sieben in einem Kreis und vorzugsweise in regelmässigen Abständen voneinander angeordnete Leitflügel. Die Leitfügel haben vorzugsweise eine solche Gestalt, dass durch die Leitflügel streifende Luft eine Sogwirkung erzeugt.

Vorteilhaft ist die Blende in Strömungsrichtung bis zu 2.5 mm vor oder bis zu 2 mm nach der Zerstäuberdüse in Abhängigkeit von deren Formgebung angeordnet. Die genaue Positionierung der Blende ist zweckmässigerweise so, dass eine teilweise Rezirkulation des Luft-Brennstoff-Gas- Gemischs hin zur Blende erfolgt.

Zweckmässigerweise ist die Blende als Scheibe ausgebildet, in deren Zentrum die Zerstäuberdüse anordenbar ist.

Vorteilhaft ist der vom Gebläse erzeugbare Gebläsepressdruck zwischen ungefähr 4 mbar bei Kleinlast und bis zu ungefähr 28 mbar bei Volllast einstellbar. Dies erlaubt es, die Brennerleistung in einem sehr grossen Bereich einzustellen.

Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Flammrohrlänge bei einer maximalen Brennerleistung von 22 kW < 150 mm, vorzugsweise kleiner als 140 mm und besonders bevorzugt kleiner als 130 mm. Bevorzugt liegt die Länge des Flammrohrs zwischen 80 und 120mm, könnte aber auch noch kürzer sein.

Vorteilhaft nehmen die Rezirkulationsöffnungen bei einem Flammrohrdurchmesser von 90 mm eine Fläche zwischen ungefähr 130 mm2 und 1030 mm2, vorzugsweise zwischen 300 mm2 und 800 mm2 und besonders bevorzugt zwischen 500 mm2 und 700 mm2 einnehmen.

Vorteilhaft nehmen die Rezirkulationsöffnungen bei einem Flammrohrdurchmesser von 70 mm eine Fläche zwischen ungefähr 100 mm2 und 800 mm2, vorzugsweise zwischen 300 mm2 und 750 mm2 und besonders bevorzugt zwischen 450 mm2 und 550 mm2 ein.

Vorteilhaft nehmen die Rezirkulationsöffnungen bei einem Flammrohrdurchmesser von 80 mm eine Fläche zwischen ungefähr 100 mm2 und 900 mm2, vorzugsweise zwischen 300 mm2 und 750 mm2 und besonders bevorzugt zwischen 450 mm2 und 650 mm2 ein. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform ist ein das Kesselgehäuse auf der einen Seite verschliessendes Brennergehäuse vorgesehen, an welchem das Flammrohr und die Düseneinheit angeordnet und der Einlass für Verbrennungsluft vorgesehen sind. Dies erlaubt eine einfache Demontage, Kontrolle und nötigenfalls Reinigung der Düseneinheit.

Vorteilhaft ist das Brennergehäuse mit einem lösbaren Brennergehäusedeckel verschlossen, in welchem die Düseneinheit angeordnet ist.

Vorteilhaft definiert das Brennergehäuse eine ringförmige Einströmkammer für die Verbrennungsluft.

Vorteilhaft umfasst die Düseneinheit einen Düsenkörper mit einem ausserhalb des Brennergehäuses liegenden Düsenkörperkopf und einem in der Einströmkammer sich erstreckenden, die Düse aufnehmenden Düsenkörperschaft.

Zweckmässigerweise ist mindestens der Düsenkörperschaft, vorzugsweise die ganze Düseneinheit, aus einem thermisch gut leitbaren Material, z.B. Messing oder Aluminium, hergestellt. Dies hat den Vorteil, dass nach dem Abstellen des Brenners noch vorhandene Wärme gut abgeleitet werden.

Als Düse ist vorzugsweise eine Zerstäuberdüse mit ungefähr 80° Vollkegel oder Hohlkegel eingesetzt.

Vorzugsweise ist zur Beruhigung der Verbrennungsluft in Strömungsrichtung vor der Blende mindestens ein Siebeinsatz, vorzugsweise ein Lochblech mit einem Lochdurchmesser zwischen 1 und 3 mm, vorgesehen. Die Verwendung eines Siebeinsatzes hat den Vorteil, dass die Verbrennungsluft gleichmässiger in das Flammrohr einströmen kann.

Vorteilhaft ist für die Überwachung des Brenners ein Gas-Brennerautomat mit der Sicherheitszeit entsprechend der Normen für Gas verwendbar. Dies hat den Vorteil, dass auf im Handel verfügbare Produkte zurückgegriffen werden kann mit attraktiven Einkaufspreisen dieser Komponenten.

Vorteilhaft stellt sich das Verhältnis des Verbrennungsluftdruckes vor der Blende und dem Differenzdruck im Flammrohr, sowie der Druck im Feuerraum und der Differenzdruck in der Rezirkulationsöffnung im Flammrohr entsprechend der eingestellten Leistung automatisch ein. Dies wird dadurch erreicht, indem die Drehzahl des Gebläses je nach Vorgabe für die Brennerleistung durch eine Komfortregelung und dem Feuerungsautomat z.B. zwischen 3'500 U/Min. und z.B. 10'000 U/Min. geregelt werden kann.

Zweckmässigerweise umfasst der Heizkessel ein Steuergerät und regelbare, mit dem Steuergerät verbundene Ventile für die Steuerung der Luft- und der Brennstoffmenge. Dadurch kann der Verbrennungsprozess in Kombination mit den übrigen strukturellen Merkmalen des erfindungsgemässen Heizkessels so eingestellt werden, dass die strengsten Abgasnormen problemlos erfüllbar sind.

Vorzugsweise ist das Steuergerät so ausgebildet, dass die Steuerung der zugeführten Luft- und der Brennstoffmenge abhängig voneinander vorgenommen werden kann.

Vorteilhaft ist die Leistung des Brenners bis zum Regelverhältnis von 1:4 einstellbar. Dies ermöglicht es, den Brenner über längere Zeit kontinuierlich zu betreiben. Durch die geringere Zahl von Ab- und Anschaltungen kann die Lebensdauer des Brenners deutlich erhöht und die Energieeinsparung weiter verbessert werden.

Vorteilhaft umfasst der Heizkessel einen Druckerzeuger zur Regelung des Öldrucks, wobei der Öldruck vorzugsweise in einem Bereich zwischen 3bar und 28 bar regelbar ist.

Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform liegt das Verhältnis von Flammrohrlänge zu Flammrohrdurchmesser zwischen 1,6 und 0,8 und vorzugsweise zwischen 1,4 und 0,9 und besonders bevorzugt zwischen 1,2 und 0,95.

Als Flammenumlenkteil kann eine Platte aus einem keramischen Material, z.B. eine Keramikfaserplatte, oder ein Klöpperboden eingesetzt sein. Auch ist es denkbar, das Umlenkteil beispielsweise mit Wasser zu kühlen.

Vorteilhaft ist das Gebläse ausgebildet, um im Zwischenraum zwischen Flammrohr und Wärmetauscher einen Druck von mehr als 0.2 mbar, vorzugsweise mehr als 0.3 mbar und besonders bevorzugt mehr als 0.4 mbar relativ zur Umgebung zu erzeugen, gemessen auf der Höhe des Flammrohrs, wo der grösste Differenzdruck relativ zum Flammrohrinneren herrscht, d.h. zwischen ungefähr 10 und 30 mm nach der Blende. Ein solcher Gebläsepressdruck ist für die Erreichung einer hohen Feuerraumbelastung von Bedeutung.

Aufgrund der vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemässen Brenners kann ein Gleichstrom- Hochdruckgebläse, wie es für Gasbrenner bereits serienmässig erhältlich ist, eingesetzt werden. Ein solches Hochdruckgebläse ermöglicht vorzugsweise Drehzahlen von z.B. 3'500 U/Min. bislO'OOO U/Min. Dadurch können hohe Brennkammerwiderstände in einem Brennwert-Spaltwendelheizkessel bis 2 mbar, oder sogar mehr, überwunden werden. Der Abstand der Windungen in einem Spaltwendel-Wärmetauscher liegt vorzugsweise zwischen ungefähr 0,8 und 1,3 mm.

Vorteilhaft ist der Brenner sowohl für schwefelreduzierte Brennstoffe mit einem Schwefelgehalt S < 300 mg/kg, schwefelarme Brennstoffe mit einem Schwefelgeahlt S < 80 mg/kg, besonders bevorzugt S < 10 mg/kg und insbesondere für flüssige synthetische Kraftstoffe, insbesondere erneuerbare BTL- Kraftstoffe (biomass to liquid = BTL) und E-Fuels verwendbar. Vorteilhaft sind für die Überwachung des Brenners ein oder mehrere Sensoren, insbesondere lonisationselektroden, lichtempfindliche Sensoren, CO-Sensoren, Drucksensoren und/oder Lambda- Sonden vorgesehen.

Vorteilhaft hat das Flammrohr einen geraden Zylinder ohne endständige Einschnürung. Das heisst, dass das Flammrohr einfach gestaltet sein kann, weil für die Stabilisierung der Flamme keine Einschnürung am Ende des Flammrohrs nötig ist.

Vorteilhaft sind die Zündelektroden in einem Abstand stromabwärts der Luftblende zwischen 40 und 55mm, vorzugsweise ungefähr 50 mm, durch eine Öffnung im Flammrohrmantel geführt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Brennwert-Therme mit einem Heizkessel nach einem der Ansprüche 36 bis 75, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Wasserinhalt des Wärmetauschers bei einer maximalen Leistung von 22 kW weniger als sieben Liter, vorzugsweise zwischen 2,8 und 6 Liter und besonders bevorzugt zwischen ungefähr 4,5 und 5,5 Liter beträgt. Eine solche Brennwert-Therme kann sehr gut als Durchlauferhitzer zur Erwärmung von Brauchwasser eingesetzt werden, weil durch die mögliche, hohe Feuerraumbelastung und das geringe Volumen der im Wärmetauscher vorhandenen Kühlflüssigkeit sehr schnell, d.h. in weniger als einer Minute warmes Brauchwasser von bis zu 60 °C erzeugt werden kann.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch Heizkessel gemäss Oberbegriff von Anspruch 76, der dadurch charakterisiert ist, dass im Flammrohrmantel eine Öffnung für die Durchführung der Zündelektroden vorgesehen ist.

Noch ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Heizkessel gemäss Oberbegriff von Anspruch 78 ist, der dadurch charakterisiert ist, dass ein eine Einströmkammer für Verbrennungsluft definierendes Brennergehäuse vorgesehen ist, in welchem zur Luftberuhigung ein Siebeinsatz vorgesehen ist.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher im Detail erläutert. Es zeigt:

Fig. 1: Eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Heizkessels bestehend aus einem Kesselgehäuse, einem im Kesselgehäuse angeordneten Wärmetauscher, sowie einem an einer Stirnseite des Kesselgehäuses angeordneten Brennereinheit mit einem Gebläse, wobei zur besseren Veranschaulichung ein Teil des Heizkessels entlang zweier Linien weggeschnitten ist;

Fig. 2: Die Querschnitte des Heizkessels von Fig. 1; Fig. 3: Eine Draufsicht auf die Brennereinheit des Heizkessels von Fig. 1;

Fig. 4: Eine Unteransicht auf die Brennereinheit des Heizkessels von Fig. 1, wobei der

Gehäusedeckel weggelassen ist;

Fig. 5: Eine perspektivische Ansicht der Brennereinheit von Fig. 1, wo zwecks besserer

Veranschaulichung Teile der Brennereinheit weggeschnitten sind;

Fig. 6: Die Brennereinheit mit Flammrohr und Gebläse im Schnitt analog der Darstellung von Fig. 5;

Fig. 7: Der Düsenkörper der Brennereinheit in perspektivischer Darstellung;

Fig. 8a: Der Düsenkörper von Fig. 7 im Längsschnitt entlang der Linie I;

Fig. 8b: Der Düsenkörper von Fig. 7 mit Zerstäuberdüse im Längsschnitt entlang der Linie II ;

Fig. 9: Eine Blende des Brenners vor der Verformung in perspektivischer Ansicht;

Fig. 10: In perspektivischer Ansicht die Blende von Fig. 9 im fertigen Zustand;

Fig. 11: Die Brennereinheit von Fig. 1 mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer

Luftberuhigungsvorrichtung;

Fig. 12: Die Brennereinheit von Fig. 1 mit einem zweiten Ausführungsbeispiel einer

Luftberuhigungsvorrichtung;

Fig. 13 Die Brennereinheit von Fig. 1 mit einem dritten Ausführungsbeispiel einer Luftberuhigungsvorrichtung;

Fig. 14: Ein zweites Ausführungsbeispiel einer Brennereinheit mit im Flammrohr angerordneten Zündelektroden und Sensor;

Fig. 15: Das Schema einer Heizungsanlage mit dem erfindungsgemässen Heizkessel zur

Erzeugung von Brauchwasser und Heizwasser für eine Heizung;

Fig. 16: Das Schema einer Heizungsanlage mit dem erfindungsgemässen Heizkessel zur

Erzeugung von Brauchwasser in einem Durchlauferhitzer und Heizwasser für eine Heizung;

Fig. 17: Eine Hälfte des erfindungsgemässen Heizkessels im Schnitt und darunter ein

Diagramm, in welchem der Differenzdruck im Flammrohr als Funktion des Abstandes von der Stauscheibe dargestellt ist;

Fig. 18: Eine Hälfte eines vorbekannten Heizkessels mit einem Blaubrenner im Schnitt und darunter ein Diagramm, in welchem der Differenzdruck im Flammrohr als Funktion des Abstandes von der Stauscheibe dargestellt ist;

Fig. 19 Eine zweite Ausführungsform einer Blende mit Zentriernoppen;

Fig. 20 Die aus dem Flammrohr tretende Flamme bei einem Brenner gemäss der Erfindung;

Fig. 21 Im Vergleich dazu die Flamme bei einem herkömmlichen Blaubrenner. Die Figuren 1 bis 8 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Heizkessels 11, dessen wesentliche Komponenten ein zylindrisches Kesselgehäuse 13, ein im Kesselgehäuse 13 angeordneter mantelförmigen Wärmetauscher 15 und eine Brennereinheit 17 mit einem Brennergehäuse 19 und einem daran angeordnetem Gebläse 21 sind.

Das Heizkesselgehäuse 13 umfasst einen Gehäusemantel 23, der an der einen Stirnseite durch einen Gehäuseboden 27 (in den Figuren nicht als separates Bauteil dargestellt) und an der anderen Stirnseite durch das Brennergehäuse 19 verschlossen ist. Der mantelförmige Wärmetauscher 15 besteht vorzugsweise aus einem wendeiförmig gewickelten, korrosionsbeständigem Wärmetauscherrohr, wobei zwischen benachbarten Rohren Durchtrittsöffnungen 31 für die Verbrennungsgase vorhanden sind. Der Wärmetauscher 15 ist in das Kesselgehäuse 13 eingesetzt und teilt dessen Innenraum in einen Feuerraum 33 und einen Abgasraum 35.

Das Brennergehäuse 19 ist mit einem Rand an einen stirnseitigen Flansch 40 des Kesselgehäuses 13 befestigt. Im Rand ist eine ringförmige Nut 41 vorgesehen, in die eine Dichtung 43 eingelegt ist. Das Brennergehäuse 19 besitzt einen abgesetzten zylindrischen Stutzen 44, der durch einen Brennergehäusedeckel 45 verschliessbar ist. Im Brennergehäusedeckel 45 ist eine Düseneinheit 47 lösbar befestigt.

Die Düseneinheit 47 besteht aus einen Düsenkörper mit einem Kopf 51 mit einer seitlichen Gewindebohrung 53 für die Aufnahme einer Schnellkupplung 55 für den Anschluss einer Brennstoffleitung (nicht gezeigt) und einen Düsenkörperschaft 57 mit einer stirnseitigen Gewindebohrung 59 für die Aufnahme einer Düse 61 (Fig. 8b), vorzugsweise einer solchen mit Hohloder Vollkegelcharakteristik. Die Gewindebohrungen 53,59 sind über einen Verbindungskanal 63 miteinander verbunden. Im Kopf 51 sind drei Durchgangslöcher 65 für die Aufnahme von drei Befestigungsschrauben 67 vorgesehen, mit deren Hilfe die Düseneinheit 47 am Brennergehäusedeckel 45 lösbar befestigt ist.

Am Brennergehäusel9 ist ausserdem ein Rohrstutzen 69 für die Zufuhr von Verbrennungsluft in das Brennergehäuse 19 angeordnet oder direkt angeformt. An diesen Rohrstutzen 49 ist das Gebläse 21 an einem Flansch 71 angeschlossen.

Am Brennergehäuse 19 ist eine Flammrohreinheit 70 bestehend aus Brennerrohr 72 und Flammrohr 73 angeordnet. Das Brennerrohr 72 besitzt am Fuss einen Bördelrand 75, welcher an einem nach innen ragenden Ringabsatz 77 des Brennergehäuses 19 anliegt und mit diesem fest verschraubt ist (Schrauben 79). Auf das Brennerrohr 72 auf gesetzt ist eine Stauscheibe 81, die das Brennerrohr 72 bis auf eine zentrale Öffnung 83 verschliesst. In oder auf diese Öffnung 83 ist eine Blende 85 eingesetzt. An der Blende 85 ist eine Mehrzahl von in einem Winkel abstehende Leitflügel 87 ausgebildet, deren Zweck es ist, die in das Flammrohr 73 einströmende Verbrennungsluft in Rotation zu versetzen und stromabwärts der Stauscheibe einen ausreichend grossen Differenzdruck zu erzeugen, damit ein Teil der Heissgase aus der Flamme und zusätzlich heisse Verbrennungsgase aus dem übrigen Feuerraum ausserhalb des Flammrohrs 73 in die Flammwurzel rezirkuliert werden. Auf das Brennerrohr 72 resp. die dieses verschliessende Stauscheibe 81 aufgesetzt ist das Flammrohr 73, das einen etwas kleineren Durchmesser als das Brennerrohr 72 hat. Denkbar ist, Brennrohr und Flammrohr aus einem Stück zu fertigen und die Stauscheibe an die Innenwand des Flammrohrs zu Schweissen.

Die Figuren 9 und 10 zeigen die Blende 85 einmal als Zwischenprodukt (Fig. 9) und dann als fertiges Teil (Fig. 10). In Fig. 9 ist die Blende 85 als noch flaches Teil gezeigt, nachdem dieses mittels eines Laserschneidgeräts aus einem grösseren Stück Stahlblech ausgeschnitten ist. Die im Ausgangszustand ungefähr trapezförmigen Leitflügel 87 sind lediglich über ein Steg 89 mit der übrigen Scheibe verbunden. Zur Herstellung der Blende 85 werden die annähernd trapezförmigen Flügel einerseits um eine durch den Steg 89 radial verlaufende Achse 91 verdreht, in Fig. 10 nach oben, und andererseits die Flügel 87 zusätzlich verformt, indem die radial innenliegenden Trapezkanten 93 jeweils relativ zu den radial aussenliegenden Kanten 95 verdreht werden. Es resultieren Leitschaufeln, bei denen die Trapezdiagonalen 97,99 gekrümmt sind (in Fig. 10 nach unten gekrümmt). Von Bedeutung ist, dass die Leitflügel 87 eine solche Gestalt aufweisen, dass im Abstand zur Stauscheibe ein maximaler Differenzdruck erzeugt werden kann.

An der Peripherie der Blende 85 sind mehrere Ausnehmungen 101 vorgesehen, welche der Aufnahme von Befestigungsschrauben dienen, mit denen die Blende 85 an der Stauscheibe 57 festgeschraubt werden kann. Selbstverständlich ist es möglich, Stauscheibe und Blende einstückig auszuführen.

In der Fig. 19 ist eine weitere Ausführungsform einer Blende 85 gezeigt. Im Unterschied zur Blende gemäss Fig. 9 hat diese sägezahnartige Leitflügel 87. Diese Leitflügel haben den Vorteil, dass die Blende mit den verdrehten Flügeln nicht in Konflikt mit der Düse 61 kommt. Ein weiterer Unterschied sind drei Zentriernoppen 88, die eine Zentrierung der Blende 85 in der zentralen Öffnung 83 der Stauscheibe 81 ermöglichen.

Das Brennergehäuse 19 definiert zusammen mit dem Brennergehäusedeckel 45, dem Brennerrohr 72 und der Stauscheibe 81 mit Blende 85 eine Einströmkammer 103.

Das zylindrische Flammrohr 73 erstreckt sich in Achsrichtung 105 bis knapp zur Mitte des Feuerraums 33. In kurzem Abstand von der Stauscheibe 81, vorzugsweise im Abstand zwischen 5 und 18 mm, sind im Flammrohr 73 in Umfangsrichtung verlaufende Rezirkulationsöffnungen 109, vorzugsweise in Gestalt von Rezirkulationsschlitzen, vorgesehen, die der Rezirkulation von sauerstoffarmen Verbrennungsgasen aus dem umgebenden Feuerraum 33 in das Flammrohr 73 dienen. Die Rezirkulationsschlitze 109 haben vorzugsweise eine Breite zwischen 1.1 und 3.5 mm und besonders bevorzugt eine Breite zwischen 1.5 und 3.0 mm, idealerweise zwischen ungefähr 2.0 und ungefähr 2.5 mm, bei einer Leistung bis ca. 22 kWh.

Im Brennergehäuse 19 sind Durchführungen 111 und 113 für Zündelektroden 115 und einen Überwachungssensor 117, z.B. eine lonisationselektrode, zur Flammenüberwachung vorgesehen. Die Zündelektroden 117 sind im Feuerraum 33 zwischen Wärmetauscher 15 und Flammrohr 73 angeordnet und erstrecken sich mit ihren Enden durch eine Öffnung 119 im Flammrohrmantel ins Flammrohr 73 hinein. Ebenso erstreckt sich der Überwachungssensor 115 im Zwischenraum zwischen Wärmetauscher 15 und Flammrohr 73 bis vor die Flammrohröffnung 121, sodass im Betrieb das Vorhandensein einer Flamme (lonisationsprozess) festgestellt werden kann. Die beschriebene Anordnung der Elektroden 115 und des Sensors 117 hat den Vorteil, dass diese die Strömungsverhältnisse im Innern des Flammrohrs 73 nicht oder nur unwesentlich stören.

Im Abstand von der Flammrohröffnung 121 ist ein Flammenumlenkteil 123 vorgesehen, das den Feuerraum 33 in axialer Richtung 105 begrenzt. Das Flammenumlenkteil 123 dient dazu, die aus der Flammrohröffnung 121 austretende Flamme, die nicht sichtbar zu sein braucht, um im Wesentlichen 90 Grad in Richtung der mantelförmigen Wärmetauscherfläche umzulenken. Ein kleiner Teil der Verbrennungsgase wird in den Zwischenraum zwischen Flammrohr 73 und Wärmetauscher 15 gelenkt und gelangt dann durch die Rezirkulationsöffnungen 109 in eine im Bereich der Rezirkulationsöffnungen 109 liegende Verdampfungszone rezirkuliert, der grössere Teil der Verbrennungsgase gelangt durch die schlitzartigen Durchtrittsöffnungen 31 zwischen den Wärmetauscherrohren in den Abgasraum 35 und wird dabei abgekühlt. Die Verbrennungsgase werden dann auf ihrem Weg in eine hinter dem Umlenkteil 123 liegende Ausströmkammer 125 weiter abgekühlt und gelangen von dort in eine in einen in den Figuren nicht dargestellten Abgasauslass, an den eine Abgasleitung 126 angeschlossen ist (Fig. 15, 16).

Die Figuren 11 bis 13 zeigen verschiedene Ausführungsformen eines Brenners mit einer Luftberuhigungsvorrichtung. Diese besteht gemäss einer ersten Ausführungsform (Fig. 11) aus einem zylindrischen Siebeinsatz 129, hergestellt aus einem Lochblech, der in die Einströmkammer 103 eingebracht ist. Der Siebeinsatz 129 sorgt dafür, dass die Verbrennungsluft verteilt über dessen ganzen Umfang gleichmässig in die Einströmkammer 103 strömt.

Gemäss einer anderen Ausführungsform besteht die Luftberuhigungsvorrichtung aus einem im Wesentlichen flachen oder leicht gewölbten Siebeinsatz 130 hergestellt aus zwei übereinander angeordneten, kreisrunden und vorzugsweise gewölbten Lochblechen, die düsenseitig an der Stauscheibe 81 anliegen. In der Mitte des Siebeinsatzes sind Ausnehmungen 131 für die Düse 61 vorgesehen. Der Siebeinsatz 130 dient dazu, die aus der Einströmkammer 103 strömende Luft zu beruhigen.

Die dritte Ausführungsform der Luftberuhigungsvorrichtung besteht aus einer Kombination der ersten beiden Ausführungsformen 129 und 130 (Fig. 13).

Die Ausführungsform des Brenners von Fig. 14 unterscheidet sich von den übrigen beschriebenen Ausführungsform dadurch, dass die lonisationsektrode 117 und die Zündelektroden 115 innerhalb des Flammrohrs 73 angeordnet sind. Der Nachteil dieser Ausführungsform ist, dass die Strömungsverhältnisse in der Einströmkammer 103 wie auch im Flammrohr 73 stärker gestört werden als bei den oben beschriebenen Ausführungsformen.

Fig. 15 zeigt das Schema einer Heizungsanlage 135 mit dem erfindungsgemässen Heizkessel 11 mit Gebläse 21, einem Steuergerät 137, einer Ölzuführungseinheit 139 und einer Hydraulikeinheit 141. Das Steuergerät 137 steht mit dem Gebläse 21, der Ölzuführungseinheit 139, einer elektronischen Zündeinheit 143 und mehreren Druckfühlern 145, 147, 149 in Verbindung. Der Druckfühler 145 dient der Messung der Gebläsepressung in der Luftzuführungsleitung 151. Die anderen beiden Druckfühler 147, 149 messen resp. überwachen den Druck im Feuerraum 33. An den Druckfühlern 147, 149 sind unterschiedliche Druckschwellwerte, z.B. 1.2 mbar Überdruck und 2.0 mbar Überdruck, einstellbar, bei deren Über- oder Unterschreiten das Steuergerät 137 bestimmte Aktionen ausführt. Wird im Feuerraum ein Überdruck von 2 mbar überschritten, so ist dies ein Anzeichen für eine Verschmutzung des Wärmetauschers oder einen Widerstand in der Abgasleitung 126. Vor der Ölzuführungseinheit 139 ist eine Ölfiltereinheit 150 mit Rücklaufzuführung vorgesehen.

Die Hydraulikeinheit 141 steuert in bekannter Weise über entsprechende Leitungskreisläufe 153 die Erzeugung von Brauchwasser in einem Speicher 159.

Fig. 16 zeigt schematisch einer Heizungsanlage mit Brennwerttherme 163, bei der anstelle eines Speichers ein Durchlauferhitzer 165 vorgesehen ist, welcher der Erzeugung von warmem Brauchwasser dient. Der erfindungsgemässe Heizkessel eignet sich besonders in einer Brennwerttherme, da der Brenner innerhalb von Sekundenbruchteilen bereits mit blauer Flamme brennt, keine Brennstoffvorwärmung benötigt und der Wärmetauscher einen sehr kleinen Wasserinhalt hat. Dadurch ist es möglich, innerhalb von 60 Sekunden nach dem Starten des Brenners bereits Warmwasser von wenigstens 50 °C zu erhalten.

Fig. 17 zeigt die Druckverhältnisse im erfindungsgemässen Heizkessel näher im Detail. Gemessen wurde der Druck während des Betriebs des Brenners mit Volllast an verschiedenen Stellen innerhalb des Flammrohrs 73 mit Hilfe eines sog. Doppel-Schrägrohrmanometers. Wie aus der Graphik ersichtlich ist, beträgt der Differenzdruck bei der Stauscheibe bereits ungefähr 0.38 mbar. Dieser Differenzdruck ist ein Unterdrück, der relativ zum (globalen) Feuerraumdruck gemessen wird. Der Feuerraumdruck wird an einer Stelle ausserhalb des Flammrohrs 73 im übrigen Feuerraum, z.B. im Zwischenraum 118 zwischen dem Wärmetauscher 15 und dem Flammrohr 73 gemessen. Vorliegend beträgt der Feuerraumdruck (Überdruck relativ zum Umgebungsdruck) bei einem Brenner mit einer maximalen Leistung von 22 kW bei Volllast bei einem sauberen Wärmetauscher ungefähr 1 mbar, kann aber auch 0.3 mbar darunter oder darüber liegen.

Der Differenzdruck nimmt mit zunehmendem Abstand von der Stauscheibe 85 zunächst auf mehr als 0.5 mbar zu, um dann bis zum Flammrohrende stetig abzunehmen. Auffällig ist ein Differenzdruckmaximum zwischen 10 und 30 mm Abstand von der Stauscheibe (im Bereich von einem Zehntel bis ein Drittel der Flammrohrlänge).

Im Unterschied zum erfindungsgemässen Heizkessel unterscheiden sich die Druckverhältnisse in einem vorbekannten Heizkessel signifikant, nämlich darin, dass der bei der Stauscheibe herrschende Differenzdruck (Unterdrück) lediglich maximal 0.2 mbar beträgt, der noch innerhalb des Flammrohr 73, nämlich ungefähr in der Mitte des Flammrohrs, auf null abfällt.

Die gänzlich unterschiedlichen Druckverhältnisse im erfindungsgemässen Heizkessel ermöglichen es, das Flammrohr 73 deutlich kürzer zu bauen als bei herkömmlichen Brennern, da die Druckverhältnisse eine verstärkte Rezirkulation der Heissgase aus der Flamme und der sauerstoffarmen Verbrennungsgase aus dem Feuerraum bewirken. Durch die schnelle Rotation des Luft-Brennstoffgemisches im Flammrohr ist die Verbrennung des Brennstoffs bis zum Flammenumlenkteil weitestgehend abgeschlossen, sodass keine Umlenkung der Verbrennungsgase in den Zwischenraum 118 mehr erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil dieser Druckverhältnisse äussert sich in der Stabilität der Flamme innerhalb des im Vergleich zu anderen Brennern kurzen Flammrohrs. Die überraschend grosse Stabilität der Flamme bei unterschiedlichen Gebläsepressungen erlaubt die stufenlose Regulierung der Brennerleistung über einen ausserordentlich grossen Leistungsbereich. Bei dem in der Fig. 18 dargestellten bekannten Brenner hat das Flammrohr bei der Flammrohröffnung noch eine Einschnürung 169, damit die Flamme am Flammrohr 73 gut gehalten wird und stabil brennt.

Die Figuren 20 und 21 zeigen die völlig unterschiedlichen Flammenformen, die durch einen Brenner gemäss der Erfindung und einem konventionellen Blaubrenner gemäss Stand der Technik erzeugt werden. Während die Flamme 175 nach dem Austritt aus der Flammrohröffnung 121 fächerartig auseinanderläuft, ist die Flamme 177 des konventionellen Blaubrenners keilförmig und ca. dreimal so lang. Die Einschnürung an der Flammrohröffnung (in Fig. 21 nicht gezeigt, jedoch in Fig. 18) ist dabei für eine stabile Flamme von Bedeutung. Im Gegensatz dazu ist das Flammrohr 73 des erfindungsgemässen Brenners ein gerader Zylinder ohne Einschnürung. Der erfindungsgemässe Heizkessel hat den Vorteil, dass er aus wenigen Baugruppen aufgebaut ist, nämlich einem Heizkesselgehäuse 13, einem Wärmetauscher 15, einem Brennergehäuse 19, einer Flammrohreinheit 70 mit integrierter Stauscheibe 81 und Blende 85, einem Brennergehäusedeckel 45 mit eingebauter Düseneinheit 47, Zündelektroden 115 und Überwachungssensor 117, und einem Gebläse21. Ein anderer bedeutender Vorteil gegenüber konventionellen Heizkesseln ist, dass keine mechanischen Einstellungen vorgenommen werden müssen. Für die Einstellung der optimalen Betriebsbedingungen muss lediglich der Öldurchsatz durch Justieren des Öldrucks bei der Maximalleistung und bei der Minimalleistung des Brenners eingestellt werden.

Der Verbrennungsprozess funktioniert im erfindungsgemässen Heizkessel wie folgt: Dadurch, dass die Luft durch die Luftöffnungen fächerartig eingeblasen und in schnelle Rotation versetzt, entsteht stromabwärts der Stauscheibe 57eine rotierende Differenzdruckzone. Durch diesen Differenzdruck werden Heissgase aus der Flammwurzel und über die Rezirkulationsschlitze Verbrennungsgase aus dem Feuerraum angesaugt. Diese Heissgase mischen sich fächerartig mit der rotierenden Luftzuführung und bilden einen fächerartigen Luft-Heissgasmantel. Zwischen der Kernströmung und dem Mantel entstehen Wirbel, in denen die Medien Luft, Brennstoff und Heissgas vermischt werden.

Die Flamme beginnt in ihrem Wurzelbereich ungefähr im ersten Drittel des Flammrohrs 73. Die Flammenwurzel ist ringförmig im rotierenden Luft-Heissgasstrom mit verdampftem Brennstoff und beginnt ca. 30 mm stromabwärts nach der Blende. Durch die hohe Rotation der Flamme im Flammrohr 73 kann der Weg für die Oxidation des Brennstoffes mit dem Luftsauerstoff axial und radial drastisch verkürzt werden, so dass die aus dem Flammrohr rotierend austretende Flamme nach dem Auftreffen auf dem Umlenkteil um 90 ° umgelenkt wird und dabei bereits so weit oxidiert ist, dass die geforderten Emissionswerte erreicht sind, bevor die heissen Verbrennungsgase durch die schlitzartigen Durchtrittsöffnungen im Wärmetauscher geleitet werden.

Beispiele für die Dimensionierung des Flammrohres von Brennern unterschiedlicher Leistung: Legende:

11 Heizkessel

13 Kesselgehäuse

15 Wärmetauscher

17 Brennereinheit

19 Brennergehäuse

21 Gebläse

23 Gehäusemantel

27 Gehäuseboden

29 Keramikring

31 Durchtrittsöffnungen des Wärmetauschers

33 Feuerraum

35 Abgasraum

40 Stirnseitiger Flansch des Kesselgehäuses

41 Ringförmige Nut

43 Dichtung

44 Zylindrischer Stutzen

45 Brennergehäusedeckel

47 Düsenkörper

51 Düsenkörperkopf

53 Seitliche Gewindebohrung

55 Schnellkupplung

57 Düsenkörperschaft

59 stirnseitigen Gewindebohrung

61 Düse

63 Verbindungskanal

65 Durchgangslöcher

67 Befestigungsschrauben

69 Rohrstutzen

70 Flammrohreinheit

71 Flansch des Rohrstutzens

72 Brennerrohr

73 Flammrohr

75 Bördelrand

77 Ringabsatz des Brennergehäuses

79 Schrauben

81 Stauscheibe

83 Zentrale Öffnung der Stauscheibe

85 Blende

87 Leitflügel

89 Steg

91 Achse

93 Radial innenliegende Trapezkanten

95 Radial aussen liegende Kanten

97, 99 Trapezdiagonalen Ausnehmungen

Einströmkammer

Brennerachse

Flammrohrmantel

Rezirkulationsschlitze

Durchführungen für Zündelektroden

Durchführung für Überwachungssensor

Zündelektroden

Überwachungssensor

Öffnung im Flammrohrmantel

Flammrohröffnung

Flammenumlenkteil

Ausströmkammer

Abgasleitung

Zylindrischer Siebeinsatz

Flacher oder gewölbter Siebeinsatz

Ausnehmungen im Siebeinsatz

Heizungsanlage

Ölzuführungseinheit

Brenner-Kesselmanager

Hydraulikeinheit

Druckfühler für Feuerraumdruckmessung

Druckfühler für Messung der Gebläsepressung

Druckfühler für Feuerraumdruckmessung

Ölfiltereinheit

Luftzuführungsleitung

Leitungskreislauf Heizkessel

Leitungskreislauf Brauchwasser

Leitungskreislauf Heizwasser

Speicher

Brennwerttherme

Durchlauferhitzer

Einschnürung

Flamme gemäss Erfindung

Flamme eines bekannten Brenners