WÄRMEKRAFTMASCHINE

WÄRMEKRAFTMASCHINE

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erhitzung eines Wärmeträgers mit einem zur Erzeugung einer Wärmequelle ausgebildeten Feuerungsmittel, einem Wärmeträgerbereich und einer zwischen der Wärmequelle und dem Wärmeträgerbereich befindlichen Wandung, insbesondere 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 entsteht eine Flamme in einem Flammrohr sowie Abgas, welches den Kessel durch die nachfolgend angeordneten Rauchrohre verläßt. Die Flamme und das Abgas dienen als Wärmequelle: Über die Wandungen des Flammrohrs bzw. der Rauchrohre geben sie Wärme ab in einen Wärmeträgerbereich, der von als Wärmeträger verwendetem Wasser durchströmt wird. Die von dem Wasser aufgenommene Wärme dient also zu dessen Erhitzung. Die Wandungen des Flammrohrs bzw. der Rauchrohre sind in den bekannten Vorrichtungen mit bestimmten Eigenschaften versehen: Beispielsweise besitzen sie dem konstruktiven Aufbau des Kessels angepaßte Wärmeausdehnungskoeffizienten und Elastizität sowie ausreichende chemische Unempfindlichkeit.

Die bekannten Vorrichtungen weisen den Nachteil auf, daß nur ein unzureichender Teil der vom Feuerungsmittel erzeugten und von der Wärmequelle abgegebenen Wärme vom Wärmeträger aufgenommen wird. Das die Vorrichtung verlassende Abgas enthält noch einen zu hohen 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 eingangs genannten Art den Übertrag der Wärme von der Wärmequelle über die Wandung auf einen im Wärmeträgerbereich befindlichen Wärmeträger zu verbessern und den Wirkungsgrad der Vorrichtung zu erhöhen.

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 begünstigende 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 Wärmequelle 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 übertragen. 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 Wärmeleistung 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 Wärmeträgerbereichs 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 wünschenswert ist, wird als Selektivität bezeichnet.

Die erfindungsgemäße 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 erfindungsgemäßen Vorrichtung sind gegenüber herkömmlichen Anordnungen konstruktive Neugestaltungen und Vereinfachungen realisierbar:

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 erhöhten 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 vergleichsweise hohen Wirkungsgrad. Bei einem erfindungsgemäßen Sturzbrenner kann das Flammrohr in Edelstahl ausgeführt sein. Edelstahl ist insbesondere unempfindlich gegenüber bei erfindungsgemäß erzielter niedriger Abgas-Endtemperatur entstehendem Abgaskondensat.

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

Die Erfindung ermöglicht außerdem eine geringere Flammentemperatur, wodurch die Emission von Schadstoffen (zB NO _x ) vermindert wird und eine vollständigere Verbrennung erzielt wird.

Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine verringerte Temperatur des von der Vorrichtung abgegebenen Abgases. Dadurch kann der Taupunkt von Bestandteilen des Abgases unterschritten werden; aufgrund der freiwerdenden Kondensationswärme kann somit der Wirkungsgrad der Vorrichtung noch weiter erhöht werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 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 Selektivität durch Ausnutzung der unterschiedlichen spektralen Verteilung der von der Wärmequelle ausgehenden Wärmestrahlung und der von der Wandung ausgehenden Temperaturstrahlung erreicht wird. Insbesondere 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 Wärmequelle emittierten Wärmestrahlung ein Maximum aufweist; insbesondere können diese Wellenlängenbereiche jenen Wellenlängenbereichen entsprechen, an denen ein Intensitätsmaximum der von der Wärmequelle emittierten Wärmestrahlung vorhanden ist. Das Spektrum der von der Wärmequelle emittierten Wärmestrahlung ist nämlich nicht unbedingt kontinuierlicher Art; im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, daß dieses Spektrum auch ein oder mehrere Intensitätsmaxima besitzen 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 Brennstoffen entstehenden Flamme derartige Intensitätsmaxima im μm-Bereich (Infrarotstrahlung) auf.

Die selektive Schicht kann dadurch ausgebildet sein, daß sie Hervorhebungen 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 maximaler 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 Behandlung einer Oberfläche der Wandung hergestellt sein. Diese Behandlung 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 zusätzlichen Schicht auf die Wandung erfolgen, insbesondere durch galvanische 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 beispielsweise unter Ausnutzung von Interferenzeffekten, Absorption durch Gitterschwingungen 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; insbesondere ist sie gegenüber der Betriebstemperatur der Vorrichtung beständig.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung liegt außerdem vor, wenn die Flamme oder die Abgase der Wärmequelle durch Verbrennung von wassers toffhal tigern und/ oder kohlenstoffhaltigem Brennstoff, insbesondere 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, Klärschlamm, Rechengut, Filtergut, Faulgas oder pflanzlichem Abfall, erzeugbar sein.

Weiterhin kann die Wandung zumindest durch einen Teil eines Flammrohrs, eines Rauchrohrs, eines Abgasrohrs, eines Flamm- und/oder Rauchrohrkessels mit einem oder mehreren Zügen, eines Strahlungskessels, eines Abhitzekessels, einer Strahlungsheizfläche, eines Feuerungsraums oder einer Wärmetauscherfläche gebildet sein.

Schließlich ist der Wärmeträgerbereich vorzugsweise zur Aufnahme von flüssigen, gasförmigen und/oder festen, insbesondere jeweils strömenden Wärmeträgern ausgelegt. Die Erfindung umfaßt ferner Wärmekraftmaschinen, wie zB Verbrennungsmotoren, Turbinen, Stirlingmotoren, Brennstoffzellen und dergleichen, bei denen die Innenseiten der Brennräume, eventuell vorhandene Wärmetauscherflächen und/ oder bewegliche Teile, wie zB Kolben oder Turbinenleitschaufeln zumindest teilweise mit einer selektiven Schicht versehen sind, wie sie vorstehend in ihren verschiedenen Ausführungsformen beschrieben wurde. Mit einer im Rahmen einer Wärmekraftmaschine eingesetzten selektiven Schicht können beispielsweise die beiden folgenden, voneinander unterschiedlichen Ziele verfolgt werden:

Durch eine geeignete selektive Schicht läßt sich eine Erhöhung der Absorptions- und/oder eine Verminderung der Emissions- bzw. Refle- xionsrate erzielen, wodurch eine Absenkung der Verbrennungstemperatur erreicht wird. Dies bewirkt in vorteilhafter Weise eine Reduzierung der thermischen Stickoxydbildung.

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

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

Für die selektive Schicht können generell, dh sowohl für Vorrichtungen zur Erhitzung eines Wärmeträgers als auch für Wärmekraftmaschi- nen katalytische Materialien verwendet werden, wobei hier beispielsweise Palladium, Iridium, Platin, Aluminiumoxyd oder ähnliche Materialien zum Einsatz kommen können.

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

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

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

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

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

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

Fig.

4a, 4b zwei verschiedene Möglichkeiten der Realisierung einer erfindungsgemäßen selektiven Schicht. Fig. la zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung eines Flammrohr- /Rauchrohrkessels in 3-Zug-Bauweise. Innerhalb eines zylinder- förmigen Flammrohrs 1 ist eine Flamme 2 gezeigt, die aus einem Verbrennungsvorgang 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 benachbart angeordnet sind und ihre Längsachsen parallel und in einem jeweils gleichen ersten Abstand zur Längsachse des Flammrohrs 1 verlaufen. In der Höhe des dem Brenner 3 zugewandten Endes des Flammrohrs 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 dieser zweite Abstand größer ist als der erste Abstand. Jedes der Flammrohre 5 mündet dann in einen Bereich, der sich demnach auf der dem Brenner 3 entgegengesetzten Seite des Kessels befindet und der wiederum in einer einzigen Abgasabführung 6 mündet. In der Schnittdarstellung der Fig. la 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 Abgasabführung 6 mündenden Bereich befinden sich Abgase 4, die aus den im Brenner 3 ablaufenden Verbrennungsvorgängen resultieren und in Fig. la 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 lediglich mit einem Rücklauf 8 und einem Vorlauf 9 Öffnungen zum Kesseläußeren besitzt. Der Wärmeträgerbereich 7 ist mit einem Wärmeträger, wie beispielsweise Wasser, aufgefüllt. In Fig. la ist der Wärmeträgerbereich 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. la 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 Flammrohr 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 Wärmeträgerbereich 7 eingeführt werden, den Wärmeträgerbereich 7 durchströmen 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 kontinuierlich 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 unerwünschte 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 Wärmeträgerbereich 7 erhöht.

Fig. lb zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung eines Flammrohrkessels 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. la dar. Die Wandung des Flammrohrs 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel gewellt. Das Flammrohr 1 des erfindungsgemäßen Sturzbrenners ist an seiner seitlichen inneren Wandung mit einer in Fig. lb fett eingezeichneten selektiven Schicht 10 versehen.

Außerhalb des Flammrohres 1, in der Verlängerung seiner Längsachse, befindet sich ein Brenner 3. Die in dem Brenner 3 ablaufenden Verbrennungsvorgänge erzeugen eine Flamme 2, die sich über einen großen Bereich des Inneren des Flammrohrs 1 erstreckt, sowie Abgas 4, das sich ebenfalls im Inneren des Flammrohres 1 befindet und in Fig. lb 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 1 1.

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 Kessels und nahe des dem Brenner 3 abgewandten Endes befinden, und durch einen Vorlauf 9, der sich an einer den Rückläufen 8 gegenüberliegenden Seitenwand des Kessels und nahe des dem Brenner 3 zugewandten 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 verläßt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel dienen die Flamme 2 und deren Abgas 4 der Erhitzung eines den Wärmeträgerbereich 7 durchströmenden Wärmeträgers, wie beispielsweise Wasser. Das Wasser kann dem Bereich 7 bei unterschiedlicher Temperatur zugeführt werden, wobei bei höherer Temperatur des Wassers ein Rücklauf 8 nahe des Brenners 3 und bei niedrigerer Temperatur des Wassers ein Rücklauf 8 weiter entfernt vom Brenner 3 vorgesehen ist. Dadurch werden ein effizienter 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 Vorrichtung erlaubt diese gegenüber dem 3-Zug-Flammrohr-/ Rauchrohrkessel gemäß Fig. la mit weniger Wärmeübertragungsfläche ausgestaltete, jedoch konstruktiv einfachere Bauweise.

Eine weitere Verbesserung des Wärmeübertrags von der Flamme 2 und dem Abgas 4 in den Wärmeträgerbereich 7 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch die gewellte Ausgestaltung der Wandung des Flammrohrs 1 erreicht. Die somit vergrößerte Oberfläche dieser Wandung 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 Wärmeübertrag zu erreichen.

Da der erfindungsgemäß verbesserte Wirkungsgrad des Sturzbrenners gemäß Fig. lb 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 1 1 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 Brennstoffzuführung 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 gekennzeichnetes 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 anschließt.

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 Ausmündung 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 schraffiert eingezeichneter Wärmeträgerbereich 7 ausgestaltet. Der Wärmeträgerbereich 7 enthält einen Wärmeträger, wie beispielsweise Wasser oder Wasserdampf. Die Strahlungsheizfläche 17 ist an ihrer dem Feuerungsraum 12 zugewandten Seite mit einer selektiven Schicht 10 versehen. An den Verbindungsflächen zwischen dem Abgasrohr 5 und dem Wärmeträgerbereich 7 ist auch die Wandung des Abgasrohrs 5 an ihrer Innenseite mit einer selektiven Schicht 10 versehen. Die selektive Schicht ist in Fig. 2 jeweils fett eingezeichnet.

Über die Brennstoffzuführung 14 wird dem Feuerungsraum 12 Brennstoff, 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 Abgasrohrs 5 Wärme in den Wärmeträgerbereich 7 abgegeben. Der Wärmeträgerbereich 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 Strahlungsheizfläche 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 Abgasrohrs 5 mit der selektiven Schicht 10 versehen.

Fig. 3 zeigt den typischen Intensitätsverlauf der bei rußfreier Verbrennung von Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen von der Flamme emittierten Wärmestrahlung, aufgetragen gegen ihre Wellenlänge. Der für Temperaturstrahlung typischen kontinuierlichen Verteilung sind mehrere ausgeprägte Intensitätsmaxima überlagert, die mit λi, λ ₂ , λ ₃ und λ ₄ 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 Nadelstruktur, Fig. 4b die einer flächigen Pyramidenstruktur.

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