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Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizeinrichtung zum Verbrennen eines gasförmigen Brennstoff-Luft-Gemisches gemäss dem einleitenden Teil des unabhängigen Patentanspruches entsprechend dem Anspruch 3 des Hauptpatentes. Bei der hieraus bekannten Heizeinrichtung wird das Brennstoffluftgemisch in Rohren oder Schläuchen zu einer aus Metall oder Keramik hergestellten Brennfläche, die einen Hohlraum begrenzt und mit Austrittsöffnungen versehen ist, geführt Dabei ergibt sich jedoch der Nachteil, dass sich durch die Wärmestrahlung der Flammen an der Oberseite der Brennfläche diese entsprechend erwärmt, wodurch es zu einer Erhöhung des Schadstoffausstosses während der Verbrennung und auch zu einem Zurückschlagen der Flammen in das Innere des von der Brennfläche begrenzten Hohlraumes kommen kann.
Um diese Nachteile und eine Aufheizung des zuströmenden Brennstoff-Luft-Gemisches durch die Flammen weitgehend zu vermeiden, wurde durch das Patent 405 090 vorgeschlagen, dass das Brennstoff-Luft-Gemisch durch eine Flüssigkeit hindurchgeführt und an der Oberfläche derselben verbrannt wird
Durch diese Verfahrensschritte ist sichergestellt, dass das zuströmende Brennstoff-Luft-Ge- misch durch die zu durchströmende Flüssigkeit entsprechend gekühlt wird. Ausserdem ergibt sich eine sehr gleichmässige Verteilung der Flammen über die gesamte Oberfläche der Flüssigkeit.
Ausserdem wird auch Wärme von den Flammen in die Flüssigkeit abgeleitet, wodurch die Flammentemperatur und damit auch der NOx-Ausstoss sinkt.
Weitere bekannte Heizeinrichtungen weisen Brenner auf, die aus Blech hergestellt und mit verteilt angeordneten Ausströmöffnungen versehen sind. Dabei ist gegebenenfalls eine Kühlung für den Brenner vorgesehen, etwa in Form von an der Oberseite des Brenners verlegten Kühischlan- gen.
Trotz dieser Massnahmen ist es unvermeidlich, dass sich das im Inneren des Brenners befindliche Gas-Luft-Gemisch durch die Wärme der Flammen vorwärmt, wodurch sich die Arbeitsbedingungen für den Brenner verändern. Ausserdem führen die bei solchen Brennern auftretenden relativ hohen Flammentemperaturen zu einem entsprechend NOx-Ausstoss.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösungen liegt auch in dem relativ hohen Herstellungsaufwand.
Ziel der Erfindung ist es daher, die eben geschilderten Nachteile zu vermeiden und eine Heizeinrichtung gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruches, die sich zur Durchführung des aus dem Patent 405 090 bekannten Verfahrens eignet und sich einfach herstellen lässt und bei der der NOx-Ausstoss weitgehend reduziert ist.
Erfindungsgemäss wird dies bei einer Heizeinrichtung gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale erreicht. Durch die vorgeschlagenen Massnahmen wird erreicht, dass das vorgemischte und homogenisierte Gas-Luft-Gemisch fein verteilt durch das Wasserbett aufsteigt Dabei strömt ein wasserdampfgesättigtes Gas aus dem Wasserbett an der Oberfiäche des Wassers in den Gasraum des Brenners und verbrennt, wobei die Zündung durch die Zündeinrichtung, zum Beispiel einen Zündbrenner oder einen Glühdraht, sichergestellt wird.
Dabei verbrennt das Gas-Luft-Gemisch in unmittelbarer Nähe der Oberfläche des Wassers, wobei sich keine zusammenhängende Flamme ausbildet, sondern eine stetig umherwandernde Flammenfront, die die aufsteigenden Gasblasen umsetzt.
Der besondere Vorteil einer erfindungsgemässen Heizeinrichtung liegt darin, dass die das Gas beim Durchströmen des Wasserbettes und Wasserdampf gesättigt wird, das während des Verbren- nungsprozesses Energie aufnimmt und so die Flammentemperatur durch das hohe Wärmeauf- nahmevermögen des Wasserdampfes deutlich herabsetzt.
Durch das Wasserbad wird gewährleistet, dass die Gasströme nicht vorgeheizt werden. Damit ist eine wichtige Voraussetzung für eine deutliche NOx-Reduzierung sichergestellt, wozu auch die Wärmeabfuhr aus dem Flammenbereich durch die Energieaufnahme durch das Verdampfen des Wassers wesentlich beiträgt. Weiter wird durch die Reaktion in unmittelbarer Nähe der Wasser- oberflache zusätzlich Wärme an das Wasser abgegeben Dies führt zu einer weiteren Verdampfung von Wasser, wobei gleichzeitig Wärme an das Wasserbett abgegeben wird.
Durch das Begasen des Wasserbettes wird das Wasser in ständiger Bewegung gehalten, so dass sich eine fast ideale Wärmeverteilung ergibt. Durch diese Bewegung des Wassers wird Wär- me aus der Reaktionszone in das Wasser geleitet und infolge seiner Eigenbewegung auch an die
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Wand der Brennkammer abgegeben.
Das heisse Abgas strömt infolge des thermischen Auftriebes dem Wärmetauscher zu und gibt dort seine Warme ab. Das mit Wasserdampf beladene Abgas strömt entlang den Wärmetauscherflächen des Wärmetauschers und kondensiert dort, wodurch die Kondensationswärme an den Wärmetauscher abgegeben wird. Dabei kondensiert sowohl der durch die Verbrennung des GasLuft-Gemisches entstehende Wasserdampf, wie das durch die Flammen verdampfte Wasser. Aus diesem Grund ist das anfallende Kondensat auch wesentlich weniger aggressiv als das bei üblichen Brennern anfallende Kondensat, bei denen lediglich das durch die Verbrennung eines GasLuft-Gemisches anfallende Wasser kondensiert.
Durch die vorgeschlagenen Massnahmen wird durch das Wasserbett auch eine sehr sichere Flammensperre erreicht.
Eine erfindungsgemässe Heizeinrichtung weist nur wenige Teile auf, die sich leicht und einfach herstellen lassen. Dabei ist eine erfindungsgemässe Heizeinrichtung für alle Gasarten geeignet.
Dabei ist auch eine sichere Umsetzung von Wasserstoff-Luftmischungen möglich.
Der Brenner einer solchen erfindungsgemässen Heizeinrichtung kann sowohl als vollvormischender Brenner ausgebildet sein oder auch als atmosphärischer Brenner. In letzterem Fall mOndet ein Injektor in den unter der Membrane befindlichen Raum. Die Auslegung der Düsen muss dabei so erfolgen, dass der Impuls des Treibstrahls hinreichend gross ist, um die Widerstände des Wasserbettes, des Flammenrückdruckes und des Strömungswiderstandes zur Gasverteilung zu überwinden.
Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil, dass eine solche Brenneranordnung besonders einfach herstellbar ist. Dabei ist es besonders vorteilhaft, ein weiches Kupferrohr zu verwenden.
Eine besonders gleichmässige Verteilung des Gas-Luftgemisches ergibt sich durch die Merkmale des Anspruches 3 oder 4. Durch diese Merkmale können die Ausströmöffnungen im wesentlichen in gleichbleibenden Abständen angeordnet werden, da die Versorgung mit Gas von beiden Enden des Gasverteilrohres erfolgt.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen :
Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemässe Heizeinrichtung
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Verteileranordnung,
Fig. 3 einen Schnitt durch die Verteileranordnung nach der Fig. 2,
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Verteileranordnung
Bei einer erfindungsgemässen Heizeinrichtung nach der Fig. 1 ist eine im wesentlichen zylindrische Brennkammer 1 vorgesehen. In diese ragt von unten her ein Gemischrohr 2 hinein, wobei das Gemischrohr 2 im wesentlichen zentral angeordnet ist.
In das Gemischrohr 2, in dem ein Gebläse 3 angeordnet ist, mündet eine Gasleitung 4. Dabei zweigt vom Gemischrohr 2 eine Zündgasteitung 5 ab, die oberhalb einer Brenneranordnung 6 in die Brennkammer 1 hingeführt ist und Zündflammen 7 speist.
Die Brenneranordnung 6 weist eine Verteileinrichtung 10 auf, die mit dem Gemischrohr 2 verbunden und von einem Wasserbett 11 überdeckt ist.
Oberhalb der Brenneranordnung 6 ist ein Plattenwärmetauscher 12 angeordnet, wobei unterhalb der Unterkanten 21 der Platten 13 Kondensatrinnen 14 angeordnet sind, die zu einer Kondensatsammelrinne 15 führen, die in die Innenwand der Brennkammer 1 eingearbeitet ist und mit einem nach aussen führenden (nicht dargestellten) Auslauf versehen ist.
Oberhalb des Plattenwärmetauschers 12 ist eine Abgassammelhaube 22 angeordnet, die mit einem Abgasstutzen 16 versehen ist, an den ein Abgasrohr anschliessbar ist.
Weiter ist ein Wasservorratsbehälter 17 vorgesehen, dessen Wasserspiegel 23 geregelt ist, um diesen auf gleicher Höhe halten zu können. Dabei sind ein Wasserzulauf 18, der zum Beispiel über ein schwimmergesteuertes Ventil steuerbar ist, und ein in das Wasserbett 11 hineinragendes abgewinkeltes Rohr 19 vorgesehen, die an den Wasservorratsbehälter 17 angeschlossen sind. Dadurch ergibt sich eine Verbindung zwischen dem Wasservorratsbehälter 17 und dem Wasserbett 11 nach Art kommunizierender Gefässe, wodurch die Höhe des Wasserspiegels im Wasservorratsbehälter
17 die Höhe des Wasserspiegels des Wasserbetts 11 bestimmt.
Beim Betrieb der Brenneranordnung 6 treibt das Gebläse 3 Luft durch das Gemischrohr 2, wobei Gas in dieses einströmt und sich mit der Luft vermischt. Das Gas-Luft-Gemisch tritt über die
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Membrane 9 und die Verteileinrichtung 10 in das Wasserbett 11 ein, wobei sich das Gas-LuftGemisch sehr gleichmässig über das gesamte Wasserbett 11 verteilt und in Form von kleinen Gasblasen im Wasserbett 11 aufsteigt.
An der Oberfläche des Wasserbettes wird das Gas-Luft-Gemisch durch die Zündflammen 7, einen mit einem Zünder versehenen Zündbrenner, die über die vom Gemischrohr 2 abzweigende Zündgasleitung 5 versorgt werden, gezündet.
Durch das Verbrennen des Gas-Luft-Gemisches an der Oberfläche des Wasserbettes 11 wird Wärme in das Wasserbett eingeleitet, wodurch das an und in den Gasblasen anhaftende Wasser und auch Wasser vom Wasserbett 11 verdampft wird. Dadurch wird die Flammentemperatur relativ weit abgesenkt, wodurch auch die NOx-Emissionen entsprechend vermindert werden.
Die Brenngase durchströmen den Plattenwärmetauscher 12 und geben dabei ihre Wärme ab.
Dabei kondensiert auch der Wasserdampf, der einerseits durch das Verdampfen von Wasser aus dem Wasserbett 11 in den Brenngasen enthalten ist und andererseits auch der durch die Verbrennung des Gases entstehende Wasserdampf. Dadurch wird die Verdampfungswärme zurückge- wonnen.
An der Aussenseite der Brennkammer 1 ist eine Kühleinrichtung 20 vorgesehen, die durch eine Rohrschlange gebildet ist und zur Abfuhr der Wärme der durch Strahlung aufgeheizten Brennkammerwand 23 dient. Diese Rohrschlange ist stromauf des Plattenwärmetauschers 12 geschaltet und mit diesem über ein Rohr 24 verbunden.
Die Flg. 2 und 3 zeigt eine erste Ausführungsform einer Verteileinrichtung 10. Dabei sind mehrere konzentrisch angeordnete kreisförmig gebogene Gasverteilrohre 30 vorgesehen, die, wie insbesonders aus der Fig. 2 zu ersehen ist, mit Ausströmöffnungen 34,35, 36 versehen sind.
Dabei sind die Gasverteitrohre 30 mit einem im wesentlichen diametral verlaufenden Gaszuführrohr 31 verbunden. Die Gasverteilrohre 30 sind an je zwei Stellen mit dem Gaszuführrohr 31 verbunden, wobei die Gasverteilrohre 30 auf das Gaszuführrohr 31 aufgesetzt sind.
Bei der Ausführungsform einer Verteileinrichtung 10 nach der Fig. 4 ist ein Gasverteilrohr 32 vorgesehen, das im wesentlichen schneckenförmig gebogen ist und ebenfalls mit Ausströmöffnungen 34,35, 36 versehen ist. Dabei ist das Gasverteilrohr 32 an seinen beiden Enden mit einem Gaszuführrohr 31 verbunden, das ihrerseits mit dem Gemischrohr 2 verbunden ist.
Bei beiden Ausführungsformen ist sichergestellt, dass das Gasgemisch über das Gemischrohr 2 und das Gaszuführrohr 31 dem Gasverteilrohr (en) 30,32 beziehungsweise deren Ausströmöffnungen 34,35, 36 fein verteilt in das Wasserbad 11 ausströmt, wobei die entstehenden Gemischbläschen im Wasserbad 11 hochsteigen und an dessen Oberfläche in Flammen verbrennen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Heizeinrichung zum Verbrennen eines gasförmigen Brennstoff-Luft-Gemisches, das durch eine Flüssigkeit hindurchgeführt und an der Oberfläche derselben verbrannt wird, und mit einer in einer an eine Abgasleitung (16) angeschlossenen, im wesentlichen dichten Brenn- kammer (1) angeordneten Brenneranordnung (6), wobei in der Brennkammer (1) ein Wär- metauscher (12) angeordnet ist und ein Gemischrohr (2) die Brennkammer (1) dicht durch- setzt, wobei eine Zündeinrichtung (7) oberhalb des Wasserspiegels angeordnet ist nach
Patent Nr.
405 090, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenneranordnung (6) im unter- sten Bereich der Brennkammer (1) angeordnet ist und ein mit Wasser überdecktes mit einer Vielzahl von Ausströmöffnungen (34,35, 36) versehenes Gasverteilrohr (30,32) auf- weist, das an das Gaszuführrohr (31) angeschlossen ist, wobei eine Zündeinrichtung (7) oberhalb des Wasserspiegels angeordnet ist.
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The invention relates to a heating device for burning a gaseous fuel-air mixture according to the introductory part of the independent claim according to claim 3 of the main patent. In the case of the heating device known from this, the fuel-air mixture in pipes or hoses is led to a burning surface made of metal or ceramic, which delimits a cavity and is provided with outlet openings. However, there is the disadvantage that the heat radiation of the flames on the top of the Burning surface is heated accordingly, which can lead to an increase in pollutant emissions during combustion and also to the flames returning to the interior of the cavity delimited by the burning surface.
In order to largely avoid these disadvantages and heating of the inflowing fuel-air mixture by the flames, it was proposed by patent 405 090 that the fuel-air mixture be passed through a liquid and burned on the surface thereof
These process steps ensure that the inflowing fuel-air mixture is appropriately cooled by the liquid to be flowed through. In addition, the flames are distributed very evenly over the entire surface of the liquid.
In addition, heat is also dissipated from the flames into the liquid, which lowers the flame temperature and thus the NOx emissions.
Further known heating devices have burners which are made from sheet metal and are provided with outflow openings arranged in a distributed manner. If necessary, cooling is provided for the burner, for example in the form of cooling coils laid on the top of the burner.
Despite these measures, it is inevitable that the gas-air mixture inside the burner will be preheated by the heat of the flames, which will change the working conditions for the burner. In addition, the relatively high flame temperatures that occur with such burners lead to a corresponding NOx emission.
Another disadvantage of the known solutions is the relatively high production cost.
The aim of the invention is therefore to avoid the disadvantages just described and a heating device according to the preamble of the independent claim, which is suitable for carrying out the method known from patent 405 090 and is easy to manufacture and in which the NOx emissions are largely reduced is.
According to the invention, this is achieved in a heating device according to the preamble of the independent claim by the characterizing features thereof. The proposed measures ensure that the premixed and homogenized gas-air mixture rises finely distributed through the waterbed.A gas saturated with water vapor flows from the waterbed at the surface of the water into the gas space of the burner and burns, the ignition by the ignition device , for example a pilot burner or a glow wire, is ensured.
The gas-air mixture burns in the immediate vicinity of the surface of the water, whereby no coherent flame is formed, but a constantly roaming flame front, which converts the rising gas bubbles.
The particular advantage of a heating device according to the invention is that the gas is saturated as it flows through the water bed and water vapor, which absorbs energy during the combustion process and thus significantly reduces the flame temperature due to the high heat absorption capacity of the water vapor.
The water bath ensures that the gas flows are not preheated. This ensures an important prerequisite for a significant NOx reduction, to which heat removal from the flame area through the absorption of energy by the evaporation of the water also makes a significant contribution. Furthermore, the reaction in the immediate vicinity of the water surface additionally releases heat to the water. This leads to a further evaporation of water, at the same time giving off heat to the water bed.
By gassing the water bed, the water is kept in constant motion, so that there is an almost ideal heat distribution. This movement of the water leads heat from the reaction zone into the water and, due to its own movement, also to the
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Wall of the combustion chamber released.
The hot exhaust gas flows to the heat exchanger due to the thermal buoyancy and gives off its heat there. The exhaust gas loaded with water vapor flows along the heat exchanger surfaces of the heat exchanger and condenses there, as a result of which the heat of condensation is released to the heat exchanger. The water vapor created by the combustion of the gas-air mixture condenses, as does the water evaporated by the flames. For this reason, the resulting condensate is also much less aggressive than the condensate obtained with conventional burners, in which only the water resulting from the combustion of a gas-air mixture condenses.
The proposed measures also achieve a very safe flame arrester through the water bed.
A heating device according to the invention has only a few parts that are easy and simple to manufacture. A heating device according to the invention is suitable for all types of gas.
A safe implementation of hydrogen-air mixtures is also possible.
The burner of such a heating device according to the invention can be designed both as a fully premixing burner or as an atmospheric burner. In the latter case, an injector opens into the space under the membrane. The design of the nozzles must be such that the impulse of the driving jet is sufficiently large to overcome the resistances of the water bed, the flame back pressure and the flow resistance for gas distribution.
The features of claim 2 result in the advantage that such a burner arrangement is particularly easy to manufacture. It is particularly advantageous to use a soft copper tube.
A particularly uniform distribution of the gas-air mixture results from the features of claim 3 or 4. These features allow the outflow openings to be arranged at substantially constant intervals since the supply of gas takes place from both ends of the gas distribution pipe.
The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing. Show:
Fig. 1 shows schematically a heating device according to the invention
2 shows a plan view of a distributor arrangement,
3 shows a section through the distributor arrangement according to FIG. 2,
Fig. 4 is a plan view of a further embodiment of a distributor arrangement
In an inventive heating device according to FIG. 1, an essentially cylindrical combustion chamber 1 is provided. A mixture pipe 2 projects into this from below, the mixture pipe 2 being arranged essentially centrally.
A gas line 4 opens into the mixture tube 2, in which a blower 3 is arranged. In this case, an ignition gas line 5 branches off from the mixture tube 2, which leads above a burner arrangement 6 into the combustion chamber 1 and feeds pilot lights 7.
The burner arrangement 6 has a distribution device 10 which is connected to the mixture pipe 2 and is covered by a water bed 11.
A plate heat exchanger 12 is arranged above the burner arrangement 6, condensate channels 14 being arranged below the lower edges 21 of the plates, which lead to a condensate collecting channel 15 which is incorporated into the inner wall of the combustion chamber 1 and has an outlet (not shown) leading to the outside is provided.
Above the plate heat exchanger 12 an exhaust gas hood 22 is arranged, which is provided with an exhaust pipe 16 to which an exhaust pipe can be connected.
Furthermore, a water reservoir 17 is provided, the water level 23 of which is regulated in order to be able to keep it at the same height. A water inlet 18, which can be controlled, for example, via a float-controlled valve, and an angled pipe 19 protruding into the water bed 11 are provided, which are connected to the water storage container 17. This results in a connection between the water reservoir 17 and the water bed 11 in the manner of communicating vessels, whereby the level of the water in the water reservoir
17 determines the height of the water level of the water bed 11.
During operation of the burner arrangement 6, the fan 3 drives air through the mixture pipe 2, gas flowing into it and mixing with the air. The gas-air mixture passes over the
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Membrane 9 and the distribution device 10 into the water bed 11, the gas-air mixture being distributed very uniformly over the entire water bed 11 and rising in the form of small gas bubbles in the water bed 11.
The gas-air mixture is ignited on the surface of the water bed by the pilot lights 7, a pilot burner provided with an igniter, which are supplied via the pilot gas line 5 branching off from the mixing tube 2.
By burning the gas-air mixture on the surface of the water bed 11, heat is introduced into the water bed, as a result of which the water adhering to and in the gas bubbles and also water from the water bed 11 are evaporated. This reduces the flame temperature relatively far, which also reduces the NOx emissions accordingly.
The fuel gases flow through the plate heat exchanger 12 and give off their heat in the process.
The water vapor, which is contained in the fuel gases by the evaporation of water from the water bed 11 and the water vapor resulting from the combustion of the gas, also condenses. The heat of vaporization is thereby recovered.
On the outside of the combustion chamber 1, a cooling device 20 is provided, which is formed by a coil and is used to dissipate the heat of the combustion chamber wall 23 heated by radiation. This coil is connected upstream of the plate heat exchanger 12 and connected to it via a pipe 24.
The Flg. 2 and 3 show a first embodiment of a distribution device 10. Here, a plurality of concentrically arranged, circularly curved gas distribution pipes 30 are provided, which, as can be seen in particular from FIG. 2, are provided with outflow openings 34, 35, 36.
The gas distribution pipes 30 are connected to an essentially diametrically extending gas supply pipe 31. The gas distribution pipes 30 are each connected to the gas supply pipe 31 at two points, the gas distribution pipes 30 being placed on the gas supply pipe 31.
In the embodiment of a distribution device 10 according to FIG. 4, a gas distribution pipe 32 is provided, which is bent essentially in a helical shape and is also provided with outflow openings 34, 35, 36. The gas distribution pipe 32 is connected at its two ends to a gas supply pipe 31, which in turn is connected to the mixture pipe 2.
In both embodiments, it is ensured that the gas mixture flows finely distributed into the water bath 11 via the mixture pipe 2 and the gas feed pipe 31, the gas distribution pipe (s) 30, 32 or their outflow openings 34, 35, 36, the resulting mixture bubbles rising in the water bath 11 and burn on its surface in flames.
PATENT CLAIMS:
1. Heating device for burning a gaseous fuel-air mixture which is passed through a liquid and burned on the surface thereof, and with a burner arrangement arranged in an essentially sealed combustion chamber (1) connected to an exhaust gas line (16) (6), a heat exchanger (12) being arranged in the combustion chamber (1) and a mixture pipe (2) sealingly penetrating the combustion chamber (1), an ignition device (7) being arranged above the water level according to
Patent No.
405 090, characterized in that the burner arrangement (6) is arranged in the lowest region of the combustion chamber (1) and a gas distribution pipe (30, 32) covered with water and provided with a large number of outflow openings (34, 35, 36) is opened. has, which is connected to the gas supply pipe (31), wherein an ignition device (7) is arranged above the water level.