BE1022691B1 - Afvoer van rookgassen - Google Patents

Abstract

Kachel met een verbrandingskamer voor verbranding van een brandstof, waarbij de kachel een aanvoer voor verbrandingslucht en een afvoer voor rookgassen heeft, welke afvoer voor rookgassen voorzien is van een rookgasextractor voor het actief afvoeren van rookgassen, welke rookgasextractor aanstuurbaar is door een regelaar is in minstens twee extractiestanden om een luchtovermaat bij de verbranding van de brandstof te minimaliseren, waarbij de rookgasextractor geplaatst is op een afstand van minstens 1 meter van de verbrandingskamer.

Description

Afvoer van rookgassen

De huidige uitvinding heeft betrekking op een kachel met een verbrandingskamer voor verbranding van een brandstof, waarbij de kachel een aanvoer voor verbrandingslucht en een afvoer voor rookgassen heeft.

Kachels zijn algemeen bekende verwarmingsmiddelen voor woningen. Waar vroeger een kachel meestal voorzien was voor het verbranden van hout en/of kolen, is het een trend in de laatste jaren om meer gaskachels en pelletkachels te voorzien die geoptimaliseerd zijn voor het verbranden van respectievelijk gas en pellets. Het voordeel van gas of pellets als brandstof, is dat de toevoer van de brandstof op een eenvoudige wijze mechanisch geregeld kan worden, zodanig dat het vermogen van de kachel geregeld kan worden.

Het is een trend in de woningbouw om woningen beter te isoleren, waardoor het warmtevermogen dat nodig is voor het opwarmen van de woning minimaal is. Ook leggen recente bouwvoorschriften minimum rendementen op aan alle verwarmingstoestellen. Als gevolg moet het proces van verbranding in een kachel, die in een dergelijke moderne woning geplaatst wordt, beter controleerbaar zijn om ook aan lage vermogens goed te kunnen presteren. De kachel moet ontworpen worden om met een hoog rendement te kunnen functioneren, dit wil zeggen dat de energie uit de brandstof optimaal in warmte kan omgezet moet kunnen worden. Verder zijn er voorschriften die kwaliteit van de verbranding regelen om roetvorming en CO-vorming te minimaliseren.

Het is een doel van de uitvinding een kachel te voorzien met een hoog rendement waarbij het proces van verbranding beter controleerbaar is.

Hiertoe voorziet de uitvinding in een kachel met een verbrandingskamer voor verbranding van brandstof, waarbij de kachel een aanvoer voor verbrandingslucht en een afvoer voor rookgassen heeft, welke afvoer voor rookgassen voorzien is van een rookgasextractor voor het actief afvoeren van rookgassen, welke rookgasextractor aanstuurbaar is door een regelaar in minstens twee extractiestanden om een luchtovermaat bij de verbranding van brandstof te optimalizeren, waarbij de rookgasextractor geplaatst is op een afstand van minstens 1 meter van de verbrandingskamer.

De kachel volgens de uitvinding bevat een rookgasextractor die geplaatst is in de afvoer voor rookgassen. Het plaatsen van een rookgasextractor in een afvoer voor rookgassen wordt praktisch bemoeilijkt door de temperatuur van de rookgassen. De temperatuur van de rookgassen zal typisch de afvoer voor rookgassen opwarmen, en daarmee ook de rookgasextractor opwarmen zodat deze aan hoge temperaturen goed moet kunnen werken. Echter omdat in de uitvinding de rookgasextractor geplaatst is op een afstand van minstens 1 meter van de verbrandingskamer, hebben rookgassen die uit de verbrandingskamer komen tijd om ten minste gedeeltelijk af te koelen alvorens ze bij de rookgasextractor komen. Daarbij helpt de regelaar om het effect van het opwarmen van de rookgasextractor verder te verminderen door de rookgasextractor zo in te stellen dat de luchtovermaat bij de verbranding van de brandstof optimaal is, dit wil typisch zeggen groter dan 1 is en minimaal is. Luchtovermaat is gerelateerd aan de hoeveelheid verbrandingslucht die in de verbrandingskamer van de kachel instroomt en waarbij de zuurstofelementen in de lucht niet aangewend worden om brandstof te verbranden. Ideaal wordt alle zuurstof uit de verbrandingslucht gebruikt om brandstof te verbranden zodanig dat de totale hoeveelheid lucht die doorheen de verbrandingskamer stroomt minimaal is. Omdat lucht slechts een beperkte capaciteit heeft om warmte te transporteren en daardoor mee uit te verbrandingskamer te nemen, heeft het beperken van de totale hoeveelheid lucht die doorheen de verbrandingskamer stroomt rechtstreeks tot gevolg dat de hoeveelheid energie die uit de verbrandingskamer getransporteerd wordt via de rookgassen minimaal is. Door in de kachel volgens de uitvinding de rookgasextractor aan te sturen naar een minimale luchtovermaat groter dan 1, is de totale hoeveelheid rookgassen die uit de kachel stroomt minimaal. Hierdoor zal de temperatuur van de afvoer voor rookgassen slechts minimaal stijgen, en zal als gevolg daarvan de rookgasextractor die op 1 meter van de verbrandingskamer geplaatst is, minder dan conventioneel opgewarmd worden door de rookgassen. Hierdoor zal de rookgasextractor uit de kachel volgens de uitvinding optimaal blijven functioneren.

Het proces van verbranding is grotendeels afhankelijk van de verhouding van brandstof en lucht in de verbrandingskamer. De rookgasextractor kan de hoeveelheid lucht die doorheen de verbrandingskamer stroomt bepalen, waardoor de rookgasextractor via de regelaar de verbranding kan controleren. Door de luchtovermaat minimaal te houden en door te verhinderen dat de luchtovermaat kleiner dan 1 wordt, zal een goede verbranding met een hoog rendement optreden.

De uitvinding vertoont verder een onverwacht positief effect. Omdat de rookgasextractor geplaatst is in de afvoer voor rookgassen, zal de rookgasextractor lucht doorheen de kachel trekken. Het gevolg hiervan is dat de kachel met de verbrandingskamer in onderdruk komt te staan. Omdat een verbrandingskamer en de daaraan gemonteerde elementen zoals afvoer van rookgassen en aanvoer van verbrandingslucht nooit 100% luchtdicht kunnen vervaardigd worden, is het een voordeel om een onderdruk te hebben in de kachel omdat de onderdruk ervoor zorgt dat eventuele roet of CO of andere schadelijke bijproducten van een verbranding niet of nauwelijks uit de kachel zullen lekken. Dit is in tegenstelling tot kachels die verbrandingslucht actief blazen naar de verbrandingskamer, die daardoor in overdruk staat, en die net wel de neiging hebben om roet, CO en andere schadelijke verbrandingsproducten naar de omgeving van de kachel te laten lekken. Dit effect van lekken van de verbrandingskamer wordt versterkt in de praktijk door moderne luchtdicht geïsoleerde woningen waarbij de lucht door middel van een balansventilatiesysteem ververst wordt, en waarbij de ruimte van de woning volgens recente bouwvoorschriften in lichte onderdruk mag staan.

Samenvattend zal de minimale luchtovermaat groter dan 1 bij de verbranding van brandstof als resultaat hebben dat het totale volume van de rookgassen minimaal is, en daarmee de afvoer van rookgassen slechts minimaal opgewarmd wordt zodanig dat de rookgasextractor die in de afvoer voor rookgassen geplaatst is optimaal kan blijven functioneren. Een verder voordeel van het plaatsen van de rookgasextractor in de afvoer van rookgassen is dat de kachel in onderdruk komt te staan zodat lekkage van schadelijke stoffen, roet en CO vermeden wordt.

Bij voorkeur bevat de rookgasextractor een ventilator en een klep, waarbij de klep een gesloten stand en minstens twee open standen heeft, welke minstens twee open standen respectievelijk bepalend zijn voor de minstens twee extractiestanden. Tests hebben uitgewezen dat het regelen van luchtstroom door middel van een combinatie van een ventilator en een klep optimaal is voor rookgassen. Een verder voordeel is dat de klep afgesloten kan worden bijvoorbeeld wanneer de kachel niet in gebruik is, zodanig dat geen lucht uit de schoorsteen door de afvoer van rookgassen naar binnen kan stromen wanneer de kachel niet in gebruik is. In het bijzonder in een ruimte die ten gevolge van een balansventilatiesysteem in onderdruk staat, is dit een noemenswaardig voordeel. Ook wanneer meerdere kachels op één schoorsteen gehangen worden, is dit een noemenswaardig voordeel.

Bij voorkeur heeft de rookgasextractor minstens vijf extractiestanden. Door minstens vijf extractiestanden te hebben, kan de regelaar de rookgasextractor nauwkeuriger aansturen om een luchtovermaat bij verbranding van brandstof te optimaliseren.

Bij voorkeur is de rookgasextractor geplaatst op een afstand van minstens 3 meter van de verbrandingskamer, meer bij voorkeur op een afstand van minstens 4 meter van de verbrandingskamer en meest bij voorkeur op een afstand van minstens 5 meter van de verbrandingskamer. Door de afstand tussen rookgasextractor en verbrandingskamer te vergroten, zal de invloed van de temperatuur van de rookgassen op de rookgasextractor verder geminimaliseerd worden.

Bij voorkeur heeft de kachel invoermiddelen voor het inbrengen van een voorafbepaalde hoeveelheid brandstof in de verbrandingskamer. Daarbij is de brandstof bij voorkeur gekozen uit gas of pellets. Het controleren van een gastoevoer, of het inbrengen van pellets in een verbrandingskamer, kan op eenvoudige wijze mechanisch gecontroleerd worden, op basis waarvan het vermogen van de kachel kan geregeld worden.

Bij voorkeur stuurt de regelaar de rookgasextractor aan op basis van een inputwaarde. Daarbij is de inputwaarde bijvoorbeeld gerelateerd aan de vooraf bepaalde hoeveelheid brandstof die in de verbrandingskamer gebracht wordt door de invoermiddelen. Door enerzijds de invoermiddelen te controleren, dit wil zeggen de hoeveelheid gas te controleren die de verbrandingskamer ingebracht wordt of de hoeveelheid pellets te controleren die de verbrandingskamer ingebracht worden, kan door een vakman een inschatting gemaakt worden van de hoeveelheid lucht die nodig is om het ingebrachte gas of de ingebrachte pellets optimaal, dit wil zeggen met een optimale luchtovermaat, te verbranden. De rookgasextractor kan dan aangestuurd worden op basis van deze inschatting. Hierdoor zal de rookgasextractor aangestuurd worden op basis van een inputwaarde die gerelateerd is aan de hoeveelheid brandstof die in de verbrandingskamer gebracht wordt. De vakman zal begrijpen dat dit op verschillende manieren kan uitgevoerd worden, bijvoorbeeld op basis van een ingangsmeting van de invoermiddelen ofwel op basis van vooraf bepaalde vermogenstanden, waarbij zowel de invoermiddelen alsook de rookgasextractor in een vooraf bepaalde stand gezet worden.

Bij voorkeur is de kachel een gaskachel voor verbranding van gas, en heeft de kachel minstens een injector voor het injecteren van gas in een verbrandingskamer, en waarbij de injector voorzien is van een temperatuursensor die operationeel verbonden is met de regelaar.

Tests hebben uitgewezen dat de temperatuur van de injector gerelateerd is aan de luchtovermaat die in de verbrandingskamer aanwezig is. Namelijk tests hebben uitgewezen dat een grote luchtovermaat tot gevolg heeft dat het gas korter bij de injector ontvlamt. Omdat het gas korter bij de injector ontvlamt, zal de injector meer opgewarmd worden door stralingswarmte van de vlam, dan wanneer het gas op een grotere afstand van de injector ontvlamt. Daarbij wordt opgemerkt dat het plaatsen van een temperatuursensor op een injector eenvoudig en goedkoop is, waardoor de luchtovermaat ook op een eenvoudige en goedkope manier meetbaar is.

Bij voorkeur is de regelaar voorzien om de rookgasextractor aan te sturen naar een hogere extractiestand wanneer de temperatuursensor een temperatuur meet die lager is dan een vooraf bepaalde temperatuur. Verder bij voorkeur is de regelaar voorzien om de rookgasextractor aan te sturen naar een lagere extractiestand wanneer de temperatuursensor een temperatuur meet die hoger is dan een vooraf bepaalde temperatuur. Wanneer de temperatuursensor een temperatuur van de injector meet onder een vooraf bepaalde temperatuur wil dit zeggen dat het gas relatief ver van de injector ontvlamt, hetgeen een indicatie is dat te weinig lucht in de verbrandingskamer aanwezig is, anders gezegd zou er een luchtovermaat kleiner dan 1 kunnen optreden, hetgeen tot een onvolledige verbranding leidt met alle gevolgen van dien. Onvolledige verbranding heeft als resultaat dat roetdeeltjes en andere schadelijke verbrandingsproducten ontstaan door een tekort aan zuurstof voor de verbranding. Door de rookgasextractor aan te sturen naar een hogere extractiestand, zullen meer rookgassen uit de verbrandingskamer getrokken worden, en zal als gevolg daarvan ook meer verbrandingslucht aangevoerd worden zodat de lucht-brandstof verhouding zich herstelt. Wanneer de temperatuursensor een temperatuur meet boven een vooraf bepaalde temperatuur, wil dit zeggen dat het gas ontbrandt vlakbij, ofwel te kort, bij de injector, wat aangeeft dat er teveel lucht in de verbrandingskamer aanwezig is in verhouding tot de brandstof. Dit leidt tot een luchtovermaat waardoor de kachel minder efficiënt werkt. Door de rookgasextractor aan te sturen naar een lagere extractiestand, worden minder rookgassen afgevoerd en zal de luchtbrandstofverhouding zich herstellen naar een vooraf bepaalde optimale verhouding waarin de luchtovermaat minimaal en groter dan 1 is.

Bij voorkeur heeft de kachel een gebruikersinterface die een gebruiker toelaat om een vermogen van de kachel in te stellen. Door het instellen van een vermogen zal de kachel een vooraf bepaalde hoeveelheid brandstof in de verbrandingskamer brengen. Door de regelaar van de rookgasextractor aan te sturen, kan deze ingebrachte hoeveelheid brandstof op een optimale manier verbrand worden zodanig dat de kachel aan een hoog rendement het ingestelde vermogen levert.

De uitvinding zal nu nader worden beschreven aan de hand van een in de tekening weergegeven uitvoeringsvoorbeeld.

In de tekening laat : figuur 1 een CLV zien volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding waarin een kachel is aangesloten; en figuur 2 een rookgasextractor zien die toepasbaar is in de uitvinding.

In de tekening is aan eenzelfde of analoog element eenzelfde verwijzingscijfer toegekend.

Figuur 1 toont een kachel 1 met een verbrandingskamer 2 voor een brandstof. Daarmee is een kachel gedefinieerd als een verwarmingstoestel waarbij het primaire doel is om de directe omgeving van de kachel 1 rechtstreeks te verwarmen. Kachel is verder bij voorkeur gedefinieerd als een verwarmingstoestel waarbij het secundaire doel is om een esthetisch mooie verbranding te verkrijgen in de kachel 1. De verbrandingskamer 2 is daarom typisch gevormd als een omhulsel waarin de verbranding kan plaatsvinden en waarbij minstens een segment van het omhulsel gevormd is door een doorzichtig materiaal, bijvoorbeeld glas. Daarbij heeft het doorzichtig materiaal de functie om aan meerdere personen in de omgeving tegelijk toe te laten de vlammen die ontstaan bij het verbrandingsproces te zien.

De verbrandingskamer 2 bevat verder een rookgasafvoer 3 die voorzien is voor het afvoeren van de rookgassen die het gevolg zijn van het proces van het verbranden van de brandstof. Verder bevat de verbrandingskamer 2 een verbrandingsluchtaanvoer 4 voor het aanvoeren van lucht waarmee het verbrandingsproces uitgevoerd wordt. In het voorbeeld zoals weergegeven in figuur 1 zijn rookgasafvoer 3 en verbrandingsluchtaanvoer 4 via een concentrische buis 5 gevormd zodanig dat een warmte-uitwisseling plaatsvindt tussen de relatief koude aangevoerde lucht en de relatief warme rookgassen. Hierdoor wordt de aangevoerde lucht, die aangevoerd wordt via de verbrandingsluchtaanvoer 4, voorverwarmd, waardoor het energetisch rendement van de kachel 1 verhoogt. Echter in dit kader wordt opgemerkt dat het niet noodzakelijk is dat rookgasafvoer 3 en verbrandingsgasaanvoer 4 concentrisch gevormd zijn. Bijvoorbeeld in residentiële omgevingen kan verbrandingslucht aangevoerd worden van een andere plaats dan waar de rookgassen naar afgevoerd worden. Ook bij toepassing met CLV’s, zoals weergegeven in figuur 1, is het een optie om de rookgasafvoer 3 en de verbrandingsluchtaanvoer 4 via aparte buizen te voorzien.

In figuur 1 is een kachel weergegeven die voorzien is voor het verbranden van gas als brandstof. Hiertoe is de kachel 1 voorzien van minstens één gasinjector 10. Alternatief kan de kachel 1 voorzien zijn voor het verbranden van pellets of hout. Het voordeel van gas- of pelletkachels ten opzicht van houtkachels, is dat de aanvoer van brandstof, zijnde respectievelijk gas of pellets, op eenvoudige wijze mechanisch doseerbaar is zodanig dat de energetische waarde van de brandstof die de verbrandingskamer ingebracht wordt, controleerbaar is over de tijd. Dit mechanisch controleren van de brandstoftoevoer vormt een goede basis om ook de andere parameters van de kachel zoals vermogen en efficiëntie te regelen en bij voorkeur te automatiseren. Het zal duidelijk zijn voor de vakman dat de genoemde brandstoffen niet beperkend zijn en dat verschillende soorten kachels kunnen ontworpen worden voor het verbranden van verschillende soorten brandstoffen.

In kachels worden conventioneel enkele luchtstromen gecreëerd, passief of actief, die de werking van de kachel beïnvloeden en pogen te optimaliseren. Brandstof wordt typisch in een onderste zone van de verbrandingskamer 2 ingebracht. Primaire lucht 6 is lucht die in de verbrandingskamer gebracht wordt bij, onder of minstens nabij de brandstof 7. Primaire lucht 6 wordt anders gezegd in de genoemde onderste zone ingebracht. Secundaire lucht 8 is verbrandingslucht die in de verbrandingskamer 2 gebracht wordt op een hoogte boven de brandstof. Secundaire lucht 8 wordt anders gezegd boven de genoemde onderste zone ingebracht. Secundaire lucht 8 wordt typisch langs de zijkanten van de verbrandingskamer of langs de bovenkant van de verbrandingskamer in een bovenste zone van de verbrandingskamer 2 ingebracht.

Tertiaire lucht 9 is omgevingslucht die over een buitenoppervlak van de verbrandingskamer 2 heen geblazen wordt om zo opgewarmd te worden door het omhulsel van de verbrandingskamer 2, welke opgewarmde lucht dan typisch terug in de omgeving geblazen wordt om zo de omgeving te verwarmen. Tertiaire lucht 9 komt niet in de verbrandingskamer 2 en bevat daarom geen schadelijke stoffen die uit het verbrandingsproces kunnen ontstaan. De verhouding tussen primaire lucht 6 en secundaire lucht 8 ligt hoofdzakelijk vast. De primaire lucht 6 en de secundaire lucht 8 vormen samen met de restproducten van het verbrandingsproces de rookgassen 12.

Bij het verbrandingsproces wordt bij voorkeur de hoeveelheid primaire en secundaire lucht in balans gehouden met de hoeveelheid brandstof die in de verbrandingskamer gebracht wordt. Brandstof bevat typisch een hoeveelheid koolwaterstoffen, die bij verbranding omgezet worden in hoofdzakelijk water en koolstofdioxide, en beperkte mate ook mogelijk schadelijke nevenproducten. Voor de omzetting van koolwaterstoffen naar water- en koolstofdioxide is zuurstof nodig die uit de primaire en secundaire lucht gehaald wordt. In dit kader wordt in het vak luchtovermaat gebruikt. Luchtovermaat is gedefinieerd als de effectieve verhouding zuurstof/brandstof gedeeld door de stoichiometrische verhouding zuurstof/brandstof. Daarmee duidt op de luchtovermaat op een overschot (of tekort) aan zuurstof in de primaire en secundaire lucht nadat alle koolwaterstoffen van de brandstof omgezet zijn in water en koolstofdioxide. Een luchtovermaat van 1 wil zeggen dat alle zuurstof uit de primaire en secundaire lucht opgebruikt is in de omzetting van de brandstof naar CO2 en H2O. Dit is een theoretische situatie die in de praktijk nooit gerealiseerd kan worden. In de praktijk zal altijd een luchtovermaat groter dan 1 aanwezig moeten zijn om de chemische reactie van koolwaterstoffen uit de brandstof te laten plaatsvinden. De luchtovermaat kan te groot worden, waardoor te veel zuurstof aanwezig is in de primaire en secundaire lucht voor het omzetten van de koolwaterstoffen. Hierdoor zal het volume aan rookgassen groter zijn dan bij een kleinere luchtovermaat. Omdat de hoeveelheid rookgassen groter is, zal ook de hoeveelheid energie die afgevoerd wordt door middel van de rookgassen groter zijn. Daarbij wordt verondersteld dat een vooraf bepaalde hoeveelheid rookgassen een hoofdzakelijk vaste vooraf bepaalde hoeveelheid energie kan transporteren. Ook zal meer binnenkomende lucht opgewarmd moeten worden zodat meer energie verloren gaat. Daarnaast zorgt het ook voor verspilling van ventilatorenergie wanneer de luchtstroom actief aangedreven wordt. Wanneer de luchtovermaat kleiner dan 1 is, dit wil zeggen dat er meer koolwaterstoffen zijn voor het omzetten dan dat er zuurstof is om de reactie te laten plaatsvinden, zullen schadelijk bijproducten zoals roet gevormd worden omdat de verbranding dan onvolledig is. Ook kan dit opstartproblemen van de kachel tot gevolg hebben. Een luchtovermaat kleiner dan 1 is daarom te vermijden. Om het energetische rendement van de kachel te maximaliseren en om de verbranding te optimaliseren, wordt gestreefd naar een minimale luchtovermaat groter dan 1. Bij voorkeur wordt gestreefd naar een luchtovermaat die groter is dan 1,05, bij voorkeur groter dan 1,1, meest bij voorkeur groter dan 1,2. Verder wordt bij voorkeur gestreefd naar een luchtovermaat die kleiner is dan 1,9, bij voorkeur kleiner is dan 1,7, meer bij voorkeur kleiner is dan 1,5. Luchtovermaat kan conventioneel gemeten worden met behulp van een Lambdasonde ter plaatse van de rookgasafvoer voor het meten van het resterend gehalte aan zuurstof in de rookgassen.

Figuur 1 toont een principiële rookgasextractor 11. De rookgasextractor 11 is voorzien voor het actief afvoeren van de rookgassen 12. Via de rookgasextractor kan het debiet van de afgevoerde rookgassen 12 bepaald worden en kan daarmee ook het debiet van de primaire lucht 6 en de secundaire lucht 8 bepaald worden, namelijk de primaire lucht en de secundaire lucht vormen samen met de verbrandingsproducten de rookgassen 12. De rookgasextractor 11 is geplaatst op een afstand van de verbrandingskamer 2 welke afstand bij voorkeur groter is dan 1 meter, meer bij voorkeur groter is dan 2 meter en meest bij voorkeur groter is dan 3 meter. Omdat de rookgasextractor 11 op een afstand van de verbrandingskamer geplaatst is, hebben de rookgassen die uit de verbrandingskamer 2 komen mogelijkheid om minstens gedeeltelijke af te koelen alvorens ze bij de rookgasextractor 11 passeren. Hierdoor zal de temperatuur van de rookgasextractor niet een vooraf bepaalde maximale werkingstemperatuur van de rookgasextractor overschrijden. Dit afkoelen van de rookgassen wordt verder bevorderd in het voorbeeld uit figuur 1 door de concentrische buis 5, die ervoor zorgt dat de warmte van de rookgassen uitgewisseld wordt met de aangevoerde verbrandingslucht, waardoor de temperatuur van de rookgassen in de rookgasafvoer 3 sterk daalt. Verder wordt de rookgasextractor 11 ingesteld om het verbrandingsproces in de verbrandingskamer 2 te sturen naar optimale luchtovermaat. Daarbij is een optimale luchtovermaat gedefinieerd als een luchtovermaat die groter is dan 1 en die minimaal is. Hierdoor is de verbranding van de brandstof volledig, omdat de luchtovermaat groter is dan 1, en is de totale hoeveelheid rookgassen minimaal, omdat de luchtovermaat minimaal is. Als gevolg van de minimale hoeveelheid rookgassen, is de energie die door de rookgassen naar de rookgasafvoer 3 meegenomen wordt uit de verbrandingskamer 2 ook minimaal, waardoor de temperatuur ter plaatse van de rookgasextractor 11 binnen vooraf bepaalde grenzen blijft.

Het voordeel van het gebruik van een rookgasextractor 11 die geplaatst wordt in de rookgasafvoer 3, is dat de rookgasextractor de lucht uit de verbrandingskamer 2 trekt en naar de schoorsteen (niet weergegeven; de plek waar de rookgassen in de omgevingslucht geblazen worden) duwt. Omdat de rookgasextractor 11 lucht uit de verbrandingskamer trekt, zal in de verbrandingskamer een onderdruk gecreëerd worden. In dit kader wordt opgemerkt dat verbrandingskamers 2 en bijbehorende aansluitingen van rookgasafvoer 3 en verbrandingsluchtaanvoer 4 nooit 100 % luchtdicht vervaardigd kunnen worden. Omdat de verbrandingskamer 2 en hierdoor ook de daaraan aangesloten rookgasafvoer- en verbrandingsluchtaanvoer in een onderdruk getrokken worden door de rookgasextractor 11, kunnen rookgassen niet lekken naar de omgeving. Hierdoor wordt een noemenswaardig veiligheidsvoordeel verkregen.

In figuur 1 is weergegeven hoe de rookgasafvoer 3 en de verbrandingsluchtaanvoer 4 aangesloten zijn op een CLV 14. Een CLV is een collectieve aanvoer van lucht en afvoer van verbrandingsgassen die typisch toegepast wordt in gebouwen met meerdere wooneenheden om toe te laten dat meerdere verbrandingstoestellen kunnen aangesloten worden op één schoorsteen. De CLV 14 bevat een binnenbuis 15 en een buitenbuis 16. De binnenbuis 15 is voorzien voor het naar boven afvoeren van rookgassen 12. Hiertoe is de binnenbuis bovenaan de CLV open. De binnenbuis 15 strekt zich bovenaan bij voorkeur hoger uit dan de buitenbuis 16 om te verhinderen dat rookgassen 12 die uit de binnenbuis geblazen worden aangezogen worden door de buitenbuis als verbrandingslucht 13. Onderaan is de binnenbuis 15 voorzien van een waterafvoer 19. Een waterafvoer 19 is optioneel voorzien van een pH-neutralisator 20. De waterafvoer 19 is voorzien om verbonden te worden met de riolering 21, al dan niet met een pH-neutralisator 20 tussen de afvoer 19 en de riolering 21. De binnenbuis 15 is onderaan afgesloten voor lucht zodanig dat rookgassen 12 de binnenbuis niet onderaan kunnen verlaten. De vakman is bekend met verschillende principes voor het afsluiten van een buis voor lucht zodanig dat water wel afgevoerd kan worden, namelijk dergelijke principes worden algemeen toegepast bij waterafvoeren voor wasbakken en wc’s.

De CLV 14 bevat verder een buitenbuis 16 die onderaan afgesloten 17 is. Doordat de buitenbuis 16 onderaan afgesloten 17 is, kan lucht van de buitenbuis 16 niet rechtstreeks naar de binnenbuis 15 stromen. Hierdoor zal de CLV 14 zoals weergegeven in figuur 1, wanneer de daaraan aangesloten verbrandingstoestellen niet in werking zijn, geen natuurlijke trek vertonen.

Ter plaatse van de aansluiting van de rookgasafvoer 3 met de binnenbuis 15 van de CLV 14, is een vochtgeleider 18 geplaatst. De vochtgeleider 18 is voorzien om vochtdruppels uit de rookgasafvoer 3 te begeleiden naar de binnenzijde van de binnenbuis 15. Hiertoe heeft de vochtgeleider 18 in een eerste uitvoeringsvorm een bol oppervlak dat zich uitstrekt tussen de wand van de rookgasafvoer 3 en de binnenzijde van de binnenbuis 15 van de CLV. Door het bolle oppervlak zal vocht niet de kans hebben om af te druppen en naar beneden te vallen in de binnenbuis 15 van de CLV. Naar beneden vallen van druppels zou een ongeoorloofde geluidsoverlast veroorzaken in het gebouw waar de CLV 14 geplaatst is. Door de druppels langs de binnenzijde van de binnenwand 15 naar beneden te laten rollen, wordt deze geluidsoverlast voorkomen. De vakman zal begrijpen dat verschillende vochtgeleiders 18 kunnen ontworpen worden om te verhinderen dat druppels vormen en naar beneden vallen in de binnenbuis 15. Zo kan een vochtgeleider 18 volgens een verdere uitvoeringsvorm gevormd worden door een aaneenschakeling van vlakken die een stompe hoek ten opzichte van elkaar vertonen zodat druppels van het ene vlak naar het andere kunnen rollen zonder van de rand tussen de vlakken af te druppen. Op basis van het beschreven effect, namelijk het begeleiden van vochtdruppels uit de rookgasafvoer 3 naar de binnenwand van de binnenbuis 15, zal voor de vakman duidelijk zijn welke aansluitingen hieraan voldoen, en welke niet. Dit resultaat kan ook op eenvoudige wijze getest worden door het inbrengen van een minimale stroom water in de rookgasafvoer, en dan te testen of de minimale stroom water in de binnenbuis 15 drupt of tegen de binnenzijde afloopt. Daarbij wordt de minimale stroom water zodanig gekozen dat ze representatief is voor de hoeveelheid condenswater die in de rookgassen uit de kachel op maximaal vermogen aanwezig is.

Om afvoer van condensvocht uit de rookgasafvoer 3 te optimalizeren, is de rookgasafvoer 3 bij voorkeur afwaterend geplaatst. Dit wil zeggen dat de horizontale afstand tussen de kachel 1 en de CLV 14, die door de rookgasafvoer 3 overbrugd wordt, afwaterend geplaatst is. Concreet zal de rookgasafvoer 3 over minstens 70 % van de horizontale afstand tussen de kachel 1 en de CLV 14 en verval van minstens 1% moeten vertonen. De vakman zal begrijpen hoe de rookgasafvoer 3 afwaterend gevormd kan worden om condensvocht dat ontstaat in de rookgasafvoer 3 weg te leiden van de kachel 1 en naar de binnenbuis 15 van de CLV.

Figuur 2 toont een mogelijke uitvoeringsvorm van de rookgasextractor 11. Daarbij toont figuur 2 hoe de rookgasafvoer 3, dit is de binnenbuis van de concentrische buis 5, ter plaatse van de rookgasafvoer 11 gescheiden wordt van de verbrandingsluchtaanvoer 4, die door de buitenbuis gevormd wordt. Dit laat toe om een module te plaatsen in de rookgasafvoer die een ventilator 22 en een klep 23, bij voorkeur een smoorklep 23, bevat. De klep 23 heeft bij voorkeur een gesloten stand en meerdere open standen. De gesloten stand wordt bij voorkeur gebruikt wanneer de kachel niet in werking is zodanig dat rookgassen die zich in de binnenbuis 15 van de CLV bevinden, en die bijvoorbeeld komen van andere kachels die op de CLV 14 aangesloten zijn, niet doorheen de rookgasafvoer naar de verbrandingskamer 2 van de niet-werkende kachel geblazen kunnen worden. Hierdoor laat de klep met gesloten stand toe om meerdere kachels aan te sluiten op één CLV. De meerdere open standen van de klep 23 zullen, in samenwerking met de actieve ventilator 22, resulteren in meerdere overeenstemmende debieten van rookgassen die doorheen de rookgasextractor stromen. Door de open stand van de klep 23 te regelen kan het debiet van de rookgassen geregeld worden. De vakman is bekend met het algemene principe van het sturen en regelen van luchtstromen door middel van een combinatie van een ventilator en een klep. Daarom wordt dit niet in verder detail uitgelegd in deze beschrijving.

De klep 23 en de ventilator 22 die geplaatst zijn in de rookgasafvoer 3 vormen samen de rookgasextractor 11. De ventilator 22 en de klep 23 zijn bij voorkeur operationeel verbonden met een regelaar van de kachel 1. Op basis van inputparameters van de kachel 1, of op basis van meetgegevens van sensoren in of aan de kachel 1, wordt de ventilator 22 en de klep 23 in een stand geplaatst. Bijvoorbeeld kan een lambdasonde gebruikt worden om de rookgasextractor 11 te regelen. Het zal duidelijk zijn voor de vakman dat dit regelen van de klep 23 en de ventilator 24 door de regelaar (niet weergegeven) op verschillende manieren kan geïmplementeerd worden, bijvoorbeeld op basis van een tabel waarbij respectievelijke standen van de klep 23 gerelateerd zijn aan overeenstemmende instellingen of inputparameters of sensorwaarden van de kachel 1. Alternatief kan de klep 23 geregeld worden op basis van een algoritme waarin één of meerdere van de volgende waarden als basis dienen voor het berekenen van de klepstand: inputparameters van de klepstand, meetwaarden van sensoren in de kachel.

In figuur 1 is een eenvoudig mechanisme weergegeven voor het onrechtstreeks meten van een luchtovermaat in de verbrandingskamer 2. De luchtovermaat wordt bepaald op basis van temperatuurmeting uitgevoerd door een temperatuursensor 24 op de gasinjector 10. Dit meetprincipe is gebaseerd op het inzicht dat de temperatuur van de gasinjector 10 gerelateerd is aan de luchtovermaat. Tests en studies hebben uitgewezen dat dit het gevolg is van de nagenoeg vaste verhouding tussen primaire lucht 6 en secundaire lucht 8. Deze werking van de temperatuursensor zal toegelicht worden aan de hand van enkele voorbeelden. Op basis van de temperatuursensor kan de luchtstroom doorheen de kachel 1 geoptimaliseerd worden. Dit kan door middel van het aansturen van een rookgasextractor 11 in de uitvoeringsvorm van de kachel 1 uit figuur 1. Echter dit kan ook in andere uitvoeringsvormen van kachels waarbij de luchtstromen doorheen de kachel 1 op andere manieren geregeld worden. Zo bestaan kachels die een blazer hebben ter plaatse van de luchtinlaat om lucht doorheen de kachel te blazen, welke blazer op basis van de temperatuursensor 24 kan geregeld worden. Ook bestaan kachels die een passieve luchtstroom, bijvoorbeeld op basis van natuurlijke trek van de schoorsteen, beïnvloeden door een klep te openen en te sluiten, welke klep dan op basis van de temperatuursensor 24 kan geregeld worden.

In een eerste voorbeeld, dat de werking van de temperatuursensor 24 illustreert, wordt enerzijds een arm gas en anderzijds een rijk gas in de verbrandingskamer 2 ingebracht als brandstof. Een arm gas heeft noemenswaardig minder koolwaterstoffen dan een rijk gas, waardoor het arm gas ook minder lucht 6, 8 nodig heeft om te verbranden in vergelijking met het rijk gas. Wanneer een eerste vooraf bepaalde hoeveelheid lucht in de verbrandingskamer 2 gebracht wordt voor het verbranden van het arm gas, zal een eerste gasmengsel ontstaan door menging van het arm gas met de eerste hoeveelheid primaire lucht 6. Dit eerste gasmengsel zal een verhouding koolwaterstoffen - zuurstof hebben die zeer dicht bij de ontvlambare verhouding ligt, omdat in het arm gas relatief weinig koolwaterstoffen aanwezig zijn. Als gevolg zal het eerste gasmengsel in de verbrandingskamer 2 zeer dicht bij de injectoren 10 ontvlammen waardoor de injectoren warmer worden omdat de vlam dicht bij de injectoren komt. Wanneer een rijk gas met dezelfde hoeveelheid primaire lucht 6 vermengd wordt, zal een tweede gasmengsel ontstaan door menging van de eerste hoeveelheid primaire lucht 6 en het rijke gas. Echter dit tweede gasmengsel zal een verhouding koolwaterstoffen - zuurstof hebben die nog een eind verwijderd is van de ontvlambare verhouding omdat in het rijk gas relatief veel koolwaterstoffen aanwezig zijn. Hierdoor zal een noemenswaardige hoeveelheid secundaire lucht 8 toegevoegd moeten worden aan het tweede gasmengsel om het mengsel te doen branden. Als gevolg hiervan zal het tweede gasmengsel pas op een noemenswaardige afstand van de injectoren ontbrandt, waardoor de injectoren minder warm worden.

Door in het geval van het arme gas de rookgasextractor te sturen naar een lagere stand, waarin minder rookgassen afgevoerd worden, zal minder lucht aangevoerd worden, en omdat de verhouding primaire lucht 6 en secundaire lucht 8 hoofdzakelijk constant is, zal dan ook minder primaire lucht 6 toegevoegd worden aan het arme gas bij injectie 10 daarvan. Omdat minder primaire lucht 6 toegevoegd wordt, zal het eerste gasmengsel verder van de ontvlambare verhouding koolwaterstoffen - zuurstof zitten, waardoor het mengsel hoger in de verbrandingskamer 2 tot ontbranding komt. Hierdoor zal de temperatuur van de injector 10 dalen, omdat de vlammen verder weg van de injector 10 ontstaan. Dit eerste voorbeeld laat zien hoe op basis van de temperatuursensor 24 de luchtstroom doorheen de verbrandingskamer 2 geregeld kan worden om de luchtovermaat te optimaliseren in functie van het type gas dat als brandstof in de verbrandingskamer ingebracht wordt.

Een verder voorbeeld laat zien hoe de luchtstroom doorheen de verbrandingskamer 2 op basis van de temperatuursensor 24 kan geregeld worden om externe effecten op de luchtstroom te compenseren. Zo zal bij een zelftrekkende schouw de maximale luchtstroom afhangen van oa. weersomstandigheden. Ook zal bij een CLV-systeem een weerstand in de rookgasafvoer 12 ontstaan wanneer meerdere toestellen tegelijk in werking zijn, waardoor een rookgasextractor 11 een hogere druk aan de zijde van de CLV 14 zal moeten overwinnen. In dit tweede voorbeeld wordt uitgegaan van een rookgasextractor 11 die in een eerste stand staat en waarbij de schoorsteen trekt zodanig dat de luchtstroom doorheen de verbrandingskamer 2 relatief groot is. In een gelijkaardige situatie wordt eenzelfde rookgasextractor 11 in eenzelfde stand geplaatst, maar is de rookgasextractor 11 op een CLV 14 aangesloten waarop ook andere kachels aangesloten zijn en in werking zijn zodanig dat ook de druk in de binnenbuis van de CLV hoog is. Hierdoor zal een relatief lage hoeveelheid lucht doorheen de verbrandingskamer 2 stromen.

In het geval van de zelftrekkende schouw zal de relatief hoge hoeveelheid lucht doorheen de verbrandingskamer 2 stromen, waardoor ook relatief veel primaire lucht 6 met het gas vermengd wordt. Omdat een relatief hoge hoeveelheid primaire lucht 6 met het gas vermengd wordt, ligt de verhouding koolwaterstoffen - zuurstof van het mengsel dicht bij het ontvlambare gebied. Hierdoor zal het mengsel dicht bij de injector ontbranden en zal de temperatuur die gemeten wordt door de temperatuursensor 24 hoog zijn. Hierdoor kan de rookgasextractor 11 naar een lagere stand geregeld worden waardoor minder lucht door de verbrandingskamer 2 zal stromen.

In het geval van de CLV met hoge druk in de binnenbuis, zal relatief weinig lucht door de verbrandingskamer 2 stomen, en zal ook minder primaire lucht 6 met het gas vermengd worden. Hierdoor zal het mengsel van primaire lucht en gas een verhouding koolwaterstoffen -zuurstof hebben die nog een eind van de ontvlambare verhouding afliggen. Als gevolg zal nog een noemenswaardige hoeveelheid secundaire lucht 8 gemengd moeten worden met het mengsel alvorens het mengsel kan ontvlammen of ontbranden. Hierdoor zal het mengsel hoger in de verbrandingskamer ontbranden waardoor de temperatuur die gemeten wordt door de temperatuursensor 24 relatief laag zal zijn. In een dergelijk geval kan de rookgasextractor 11 naar een hogere stand aangestuurd worden om meer lucht doorheen de verbrandingskamer 2 te trekken, waardoor de weerstand in de binnenbuis 15 gecompenseerd wordt.

De beide voorbeelden zijn gebaseerd op een gaskachel. Het zal voor de vakman echter duidelijk zijn dat ook andere types kachels zoals houtkachels en pelletkachels een verbrandingsproces faciliteren waarbij een verhouding koolwaterstoffen en zuurstof binnen een brandbaar gebied moet komen alvorens vlammen zich vormen. Ook bij andere types kachels zal de hoeveelheid primaire lucht en de energiedensiteit van de brandstof invloed hebben op deze verhouding. Daarom zal op basis van een temperatuursensor die geplaatst is in een onderste zone van een ander type kachel ook een luchtovermaat kunnen gestuurd worden. Het toepassen van de temperatuursensor 24 om de luchtovermaat te bepalen is daarom niet beperkt tot gaskachels.

De hierboven beschreven voorbeelden laten zien dat op basis van een temperatuursensor 24 in een onderste zone van de verbrandingskamer 2 een goede indicatie kan bekomen worden van een luchtovermaat in de verbrandingskamer 2. Daarbij mag de luchtovermaat dan beïnvloed worden door de werking van de schoorsteen en/of rookgasafvoer en/of verbrandingsluchtaanvoer, of kan de luchtovermaat beïnvloed worden door de energetische eigenschappen van de brandstof, op basis van de temperatuursensor 24 kan steeds een goede regeling van de luchtovermaat bekomen worden. Daarbij wordt opgemerkt dat een temperatuursensor eenvoudig en goedkoop te voorzien is in de kachel 1.

Figuur 1 toont twee uitvoeringsvormen van temperatuursensoren 24. Een eerste temperatuursensor 24 is weergegeven aan en onderzijde van de injector 10. Een tweede uitvoeringsvorm van de temperatuursensor is aangeduid met referentiecijfer 24’ en is geplaatst aan een bovenzijde van de injector 10. Bij voorkeur is de regelaar (niet weergegeven) verbonden met de temperatuursensor 24 en/of 24’, en voorzien van een regelmechanisme voor het regelen van de luchtstroom doorheen de verbrandingskamer 2 naar een lager debiet wanneer de temperatuur van de temperatuursensor 24 boven een vooraf bepaalde waarde, of boven een vooraf bepaald temperatuursbereik komt. Ook is de regelaar voorzien van een regelmechanisme voor het regelen van de luchtstroom doorheen de verbrandingskamer 2 naar een hoger debiet wanneer de temperatuursensor 24 een temperatuur meet die onder een vooraf bepaalde waarde, of onder een vooraf bepaald temperatuursbereik ligt. Daarbij zal de temperatuurswaarde en/of het temperatuursbereik bij voorkeur bepaald worden door de fabrikant van de kachel, bijvoorbeeld op basis van tests, rekening houdend met de exacte positie van de temperatuursensor of temperatuursensoren 24, rekening houdend met de constructie-eigenschappen van de kachel 1 en rekening houdend met het type brandstof waarvoor de kachel ontworpen is.

De beschrijving en de figuren dienen slechts ter illustratie van de principes van de uitvinding. Het zal daarom begrepen worden dat een vakman kan afwijken van de verschillende opstellingen die hierboven al dan niet expliciet getoond en beschreven zijn, en die de principes van de uitvinding bevatten. Verder zijn alle voorbeelden die hierin beschreven zijn slechts bedoeld om de uitvinding te illustreren en de lezer te helpen om de principes van de uitvinding goed te begrijpen. Daarbij zullen de voorbeelden niet beperkend zijn voor de beschermingsomvang. Daarbij zijn alle statements die principes, aspecten en uitvoeringsvormen van de uitvinding beschrijven alsook specifieke voorbeelden daarvan, bedoeld om ook equivalenten daarvan te omvatten. De beschermingsomvang van de huidige uitvinding zal daarom enkel gedefinieerd worden in de hiernavolgende conclusies.

Claims (14)

1. Conclusies

   1. Kachel met een verbrandingskamer voor verbranding van een brandstof, waarbij de kachel een aanvoer voor verbrandingslucht en een afvoer voor rookgassen heeft, welke afvoer voor rookgassen voorzien is van een rookgasextractor voor het actief afVoeren van rookgassen, welke rookgasextractor aanstuurbaar is door een regelaar is in minstens twee extractiestanden om een luchtovermaat bij de verbranding van de brandstof te optimalizeren, waarbij de rookgasextractor geplaatst is op een afstand van minstens 1 meter van de verbrandingskamer, waarbij de rookgasextractor een ventilator en een klep bevat zodat de rookgasextractor voorzien is om de rookgassen uit de verbrandingskamer te trekken en naar een schoorsteen te duwen.
2. 2. Kachel volgens conclusie 1, waarbij de klep een gesloten stand en minstens twee open standen heeft, welke minstens twee open standen respectievelijk bepalend zijn voor de minstens twee extractiestanden.
3. 3. Kachel volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de rookgasextractor minstens 5 extractiestanden heeft.
4. 4. Kachel volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de rookgasextractor geplaatst is op een afstand van minstens 3 meter van de verbrandingskamer, bij voorkeur op een afstand van minstens 4 meter van de verbrandingskamer, meer bij voorkeur op een afstand van minstens 5 meter van de verbrandingskamer.
5. 5. Kachel volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de kachel invoermiddelen heeft voor het inbrengen van een vooraf bepaalde hoeveelheid brandstof in de verbrandingskamer.
6. 6. Kachel volgens conclusie 5, waarbij de brandstof gekozen is uit gas of pellets.
7. 7. Kachel volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de regelaar de rookgasextractor aanstuurt op basis van een inputwaarde.
8. 8. Kachel volgens conclusie 7 en conclusie 5 of 6, waarbij de inputwaarde gerelateerd is aan de vooraf bepaalde hoeveelheid brandstof die in de verbrandingskamer gebracht wordt door de invoermiddelen.
9. 9. Kachel volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de kachel een gaskachel is voor verbranding van gas, waarbij de kachel minstens een injector heeft voor het injecteren van het gas in een verbrandingskamer, en waarbij de injector voorzien is van een temperatuursensor die operationeel verbonden is met de regelaar.
10. 10. Kachel volgens conclusie 5, waarbij de regelaar voorzien is om de rookgasextractor aan te sturen naar een hogere extractiestand wanneer de temperatuursensor een temperatuur meet onder een vooraf bepaalde temperatuur.
11. 11. Kachel volgens conclusie 5 of 6, waarbij de regelaar voorzien is om de rookgasextractor aan te sturen naar een lagere extractiestand wanneer de temperatuursensor een temperatuur meet boven een verdere vooraf bepaalde temperatuur.
12. 12. Kachel volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de kachel een gebruikersinterface die een gebruiker toelaat om een vermogen van de kachel in te stellen.
13. 13. Kachel volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de luchtovermaat bij de verbranding van de brandstof optimalizeren betekent het regelen van de luchtovermaat naar een waarde groter dan 1, waarbij de waarde minimaal is.
14. 14. Kachel volgens conclusie 13, waarbij de waarbij bij voorkeur groter is dan 1,05, meer bij voorkeur groter dan 1,1 en meest bij voorkeur groter dan 1,2 is, en waarbij de waarde bij voorkeur kleiner is dan 1,9, meer bij voorkeur kleiner is dan 1,7 en meest bij voorkeur kleiner is dan 1,5.