AT515221A1

AT515221A1 - Brennersystem für ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit externer Verbrennung

Info

Publication number: AT515221A1
Application number: ATA962/2013A
Authority: AT
Original assignee: Vaillant Group Austria Gmbh
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2015-07-15
Also published as: WO2015090918A1; EP3084302A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennersystem für ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit externer Verbrennung. Das Brennersystem umfasst einen Diffusionsbrenner (1). ln einem zweiten Wärmetauscher (7) wird die Wärme des Abgases auf die zugeführte Luft übertragen. Der zweite Wärmetauscher (7) wird zudem durch eine den zweiten Wärmetauscher umgebende Brennstoffkammer gegenüber der Umgebung isoliert. Der durchströmende Brennstoff führt zudem die Wärme ab.

Description

Brennersystem für ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit externer Verbrennung

Die Erfindung betrifft ein Brennersystem für ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit externerVerbrennung. Kraft-Wärme-Kopplungssysteme werden eingesetzt, um gleichzeitig Gebäudezu beheizen und Strom zu erzeugen. Sie können aus einer Wärmekraftmaschine aufgebautsein, die einen Generator zur Erzeugung von Strom antreibt. Die Abwärme der Wärmekraft¬maschine wird für Heizzwecke verwendet. Bei der Wärmekraftmaschine kann es sich umeinen Verbrennungsmotor mit externer Verbrennung, beispielsweise einen Stirlingmotor,oder um einen thermoakustischen Generator handeln. In diesen Fällen weist die Wärme¬kraftmaschine eine Wärmesenke auf, die von einem Brennersystem zu beheizen ist. Dabeiist es energetisch vorteilhaft, wenn das Brennersystem in einem räumlich eng begrenztenBereich eine möglichst hohe Temperatur erzeugt. Für Kraft-Wärme-Kopplungssystem kommen als Brenner, die Bestandteil eines Brennersys¬tems sind, vormischende Brenner oder Diffusionsbrenner in Frage. Diffusionsbrenner habenden Vorteil, dass die Restwärme im Abgas vollständig verwendet werden kann, um die Ver¬brennungsluft vorzuwärmen. Derartige Brenner sind als Rekuperationsbrenner bekannt. DasVorwärmen des Verbrennungsluft-Brennstoffgemisches ist bei einem vormischenden Bren¬ner nur sehr begrenzt möglich, da sich das Brennstoff-Luft-Gemisch ab der Zündtemperaturvorzeitig selbst entzünden würde.

Aus dem Stand der Technik sind Rekuperationsbrenner für die Beheizung von Öfen bekannt.Die Patentanmeldung DE 101 49 329 A1 offenbart einen Rekuperationsbrenner mit einerkompakten Brennkammer. Die für die Verbrennung benötigte Luft wird durch Rohre von ei¬ner Luftkammer zu dem Brennraum geführt. Dabei sind Kanäle, durch die die Luft geführt wird, so angeordnet, dass ein Wärmetauscher gebildet wird, der die Wärme von den Abga¬sen auf die Luft überträgt. Der Brennstoff wird von einer gegenüber Brennkammer vorgese¬henen Brennstoffkammer durch Rohre, die koaxial innerhalb der Rohre für die Luft vorgese¬hen sind, der Brennkammer zugeführt. Dieser Brenner kann zwar aufgrund der kompaktenBrennkammer örtlich eine hohe Temperatur erzeugen, gibt jedoch aufgrund des großenWärmetauschers auch in Bereichen, die nicht der Brennkammer zugeordnet sind, erheblicheMengen an Wärme ab. Bei einem kompakten Wärmetauscher ist auch die Wärmeleitung undder Wärmeübergang geringer. Dies ist jedoch in einem Kraft-Wärme-Kopplungssystemunerwünscht. Die Wärme könnte zwar in dem Kraft-Wärme-Kopplungssystem als Heizwärmegenutzt werden, dadurch wird jedoch das Verhältnis zwischen elektrischer Leistung undthermischer Leistung des Kraft-Wärme-Kopplungssystems verschlechtert. Andererseitskönnte der Brenner in den Bereichen, die nicht der Brennkammer zugeordnet sind, isoliertwerden. Dies geht jedoch auf Kosten des Bauraums.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, für ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem ein effizientesBrennersystem bereitzustellen, das kompakt aufgebaut ist und zugleich die Wärme bei hoherTemperatur in einem örtlich eng begrenzten Bereich zur Verfügung stellt.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass in demBrenner ein Brennstoffkanalsystem gebildet wird, welches eine Brennstoffkammer umfasst,die sich isolierend um die Bereiche erstreckt, von denen keine Wärme nach außen geführtwerden soll. Der Vorteil ist, dass das Bauvolumen, das der Zuführung des Brennstoffes zumBrennraum dient, zugleich als Isolierung benutzt wird. Dabei ist der Brennstoff bevorzugt einBrenngas, kann aber erfindungsgemäß auch ein flüssiger Brennstoff sein. Ein weiterer Vor¬teil ist, dass der durch die Brennstoffkammer strömende Brennstoff die Verlustwärme abführtund so die Außenwand der Brennstoffkammer zusätzlich gekühlt wird. Darüber hinaus hatder erfindungsgemäße Brenner den Vorteil, dass zusätzlich zu der Luft auch der Brennstoffvorgewärmt wird und so zu einer Effizienzsteigerung führt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche.

Das erfindungsgemäße Brennersystem wird vorteilhaft in einem Kraft-Wärme-Kopplungssystem verwendet. Ebenfalls ist kann das erfindungsgemäße Brennersystem vor¬teilhaft in einem thermischen Wärmepumpensystem verwendet werden.

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert.

Es stellen dar:

Figur 1: das erfindungsgemäße Brennersystem für ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem,

Figur 2: das Detail X des Brennersystems aus Figur 1,

Figur 3: das Detail Y des Brennersystems aus Figur 1.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen ein erfindungsgemäßes Brennersystem. Das Brennersystem um¬fasst einen Brenner 1 und eine Wärmesenke 2. Die Wärmesenke 2 ist mit einer Wärme¬kraftmaschine mit externer Verbrennung, beispielsweise einem Stirlingmotor oder einemthermoakustischen Generator, verbunden bzw. ist Bestandteil der Wärmekraftmaschine. Diehier nicht dargestellte Wärmekraftmaschine wandelt die Wärmeenergie in mechanische undanschließend in elektrische Energie um. Somit bildet das Brennersystem und die Wärme¬kraftmaschine zusammen mit einem mit der Wärmekraftmaschine verbundenen Generatorein Kraft-Wärme-Kopplungssystem.

Das Brennersystem umfasst ein Brennstoffkanalsystem 3, ein Luftkanalsystem 4 sowie einAbgaskanalsystem 5. Das Brennstoffkanalsystem 3 sowie das Luftkanalsystem 4 sind inner¬halb des Brenners 1 vorgesehen, das Abgaskanalsystem 5 erstreckt sich zusätzlich auch auf die Wärmesenke 2. Der in dem Ausführungsbeispiel dargestellte Brenner 1 ist zylinderförmigaufgebaut. Es sind jedoch auch andere Bauformen möglich und erfindungsgemäß einge¬schlossen.

Die für die Verbrennung benötigte Luft bzw. ein anderes sauerstoffhaltiges Gas wird vonaußen dem Luftkanalsystem 4 zugeführt. Die einströmende Luft verteilt sich zunächst in derLuftkammer, die an der der Wärmesenke gegenüberliegenden Seite des Brenners angeord¬net ist. In der Luftkammer wird die Luft auf mehrere Rohre 14 verteilt, die die Luft ab Dichteund durch die Wärmetauscherkammer 8 führen. Die Rohre 14 und die Wärmetauscherkam¬mer 8 bilden einen zweiten Wärmetauscher 7. In dem Wärmetauscher 7 nimmt die zugeführ¬te Luft die Wärme des Abgases auf. Somit wird die Wärme des Abgases für den Verbren¬nungsprozess zurück gewonnen. Der zweite Wärmetauscher 7 ist ebenfalls zylinderförmigaufgebaut.

Der für die Verbrennung benötigte Brennstoff wird von außen dem Brennstoffkanalsystem 3zugeführt. Zunächst strömt der Brennstoff in eine den zweiten Wärmetauscher 7 umhüllendeBrennstoffkammer 12 ein. Dadurch, dass die Brennstoffkammer 12 den zweiten Wärmetau¬scher 7 im Bereich des Zylindermantels und die Luftkammer 13 den zweiten Wärmetauscher7 umhüllen, wird der zweite Wärmetauscher 7 gegenüber der Umgebung des Brenners 1thermisch isoliert. Zusätzlich wird eine Übertragung von Wärme vom zweiten Wärmetau¬scher 7 auf die Umgebung dadurch verringert, dass Luft bzw. das durch die Kammern gelei¬tet werden und zusätzlich Wärme abführen. Die Rohre 14 sind aus dem zweiten Wärmetau¬scher 7 auf der Seite der Wärmesenke herausgeführt und enden unmittelbar vor der Brenn¬kammer 9. Die Brennkammer 9 wird in Richtung des zweiten Wärmetauschers 7 von einerDüsenplatte 11 abgeschlossen, welche mehrere Öffnungen 15 aufweist. Durch diese Öff¬nungen 15 kann einerseits der Brennstoff aus der Brennstoffkammer 12, die auf der gegen¬überliegenden Seite an die Düsenplatte 11 angrenzt, in die Brennkammer 9 einströmen. An¬dererseits nimmt die Rohre 14 zur Zuführung der Luft im Bereich der Öffnungen 15, so dass hier eine Mischzone 16 gebildet wird, in der sich Brennstoff und Luft mischen und verbren¬nen. Durch ein Abgaskanalsystem 5 werden die Abgase aus der Brennkammer 9 geleitet.Dazu strömen die Abgase zunächst über mehrere Teilekanäle zur Wärmesenke, wo sie ei¬nen ersten Wärmetauscher 6 bilden. In den ersten Wärmetauscher 6 wird die Wärme derAbgase auf die Wärmesenke 2 übertragen. Anschließend werden die Abgase umgelenkt undin Richtung der Brennkammer zurückgeführt, mittels eines Brennkammerkanals 10 abdich¬tend gegenüber der Brennkammer durch die Brennkammer hindurchgeführt und in dieBrennstoffkammer 12 des zweiten Wärmetauschers 7 geleitet, um die restliche Wärme aufdie durch die Rohre 14 strömende Luft zu übertragen. Am der Wärmesenke gegenüberlie¬genden Ende des Brenners 1 werden die Abgase anschließend durch eine Verbindung nachaußen geführt und über einen hier nicht dargestelltes Abgassystem abgeführt.

Dadurch, dass die Luft in Form von Röhren durch die Wärmetauscherkammer 8 geführt wer¬den, wird ein sehr hoher Anteil der Restwärme im Abgas auf die Luft übertragen. Dadurch isteine sehr effiziente Verbrennung möglich. Zusätzlich wird auch Wärme vom zweiten Wärme¬tauscher 7 nach außen auf den durch die Brennstoffkammer 12 strömenden Brennstoff über¬tragen. Die am Wärmeübergang beteiligte Oberfläche sowie die die Strömungsgeschwindig¬keit des Brennstoffs beeinflussende Querschnittsfläche der Brennstoffkammer 12 sind sobemessen, dass einerseits möglichst viel Wärme abgeführt wird, andererseits der Brennstoffeine zulässige Maximaltemperatur, zum Beispiel bei Methan 500 bis 700 °C, nicht über¬schreitet, da sonst eine Vercrackung des Brennstoffs stattfindet.

Durch die erfindungsgemäße Bauweise wird ein sehr effizientes und zugleich sehr kompak¬tes Brennersystem bereitgestellt. Zudem lässt es sich sehr einfach aus gelochten Blechenund Rohren zusammensetzen, so dass das Brennersystem sehr einfach herstellbar ist. Ins¬besondere kann der zweite Wärmetauscher 7 formatiert und in ein unter Teil 18 eingebautwerden, welches dann in das Oberteil 17 eingeschoben wird. Das Oberteil 17 wiederumkann sehr einfach an die Wärmesenke 6 angeflanscht werden.

Bezugszeichenliste 1 Brenner 2 Wärmesenke 3 Brennstoffkanalsystem 4 Luftkanalsystem 5 Abgaskanalsystem 6 Erster Wärmetauscher 7 Zweiter Wärmetauscher 8 Wärmetauscherkammer 9 Brennkammer 10 Brennkammerkanal 11 Düsenplatte 12 Brennstoffkammer 13 Luftkammer 14 Rohr 15 Öffnung 16 Mischzone 17 Oberteil 18 Unterteil

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Brennersystem für ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit externer Verbrennung, um¬fassend einen Brenner (1) zum Umwandeln von in einem Brennstoff chemisch gebun¬dener Energie in Wärmeenergie und einen ersten Wärmetauscher (6) zum Übertragenvon Wärme auf eine Wärmesenke (2), wobei der Brenner (1) ein Brennstoffkanalsys¬tem (3) zum Führen des Brennstoffes, ein Luftkanalsystem (4) zum Führen der Luftund ein Abgaskanalsystem (5) zum Führen des Abgases umfasst, wobei das Brenn¬stoffkanalsystem (3) und das Luftkanalsystem (4) in einer Brennkammer (9) zur Ver¬brennung des Brennstoffs zusammengeführt werden und das Abgaskanalsystem (5)dazu ausgelegt ist, das Abgas von der Brennkammer (9) abzuleiten, wobei der Brenner (1) ferner mit dem ersten Wärmetauscher (6) zum Übertragen der Wärme von derBrennkammer (9) und/oder von dem Abgas an die Wärmesenke (2) verbunden ist, undwobei der Brenner (1) ferner einen zweiten Wärmetauscher (7) zum Übertragen derWärme von dem Abgas auf die Luft umfasst, wobei das Abgaskanalsystem (5) so an¬geordnet ist, dass das Abgas zuerst den ersten Wärmetauscher (6) und danach denzweiten Wärmetauscher (7) durchströmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Brenn¬stoffkanalsystem (3) eine Brennstoffkammer (12) umfasst, die den zweiten Wärmetau¬scher (7) zumindest teilweise so umgibt, dass die Brennstoffkammer (12) den zweitenWärmetauscher (7) gegenüber der Umgebung des Brenners (1) thermisch isoliert.
2. Brennersystem nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffkammer (12) mindestens 30 %,bevorzugt mindestens 50 % der Oberfläche des zweiten Wärmetauschers (7) über¬deckt.
3. Brennersystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Wärmetauscher (7) eineWärmetauscherkammer (8) umfasst, die einen Teil des Abgaskanalsystems (5) dar¬stellt und durch die Abgas geleitet wird, wobei der zweiter Wärmetauscher (7) mehrereRohre (14) umfasst, die einen Teil des Luftkanalsystems (4) darstellen und durch dieLuft geleitet wird, und wobei die Rohre (14) die Wärmetauscherkammer (8) so durch¬dringen, dass Wärme vom Abgas auf die Luft übertragbar ist.
4. Brennersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennkammer (9) zum zweiten Wärmetauscher (7) hin durch eine Düsenplatte (11) begrenzt wird,wobei die Düsenplatte (11) direkt an das Brennstoffkanalsystem (3) angrenzt und Öff¬nungen (15) aufweist, durch die Brennstoff in die Brennkammer (9) strömen kann, undwobei Rohre (14), die einen Teil des Luftkanalsystems (4) darstellen und durch die Luftgeleitet wird durch das Brennstoffkanalsystem (3) hindurch geführt werden und im Be¬reich der Öffnungen (15) enden, so dass die Öffnungen (15) und die Enden der Rohre (14) eine Mischzone (16) bilden, in der Brennstoff mit Luft vermischt und verbranntwerden kann.
5. Brennersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Wärme¬tauscher (6), die Brennkammer (9) und der zweite Wärmetauscher (7) hintereinanderangeordnet sind und das Abgaskanalsystem (5) so ausgebildet ist, dass das Abgasvon der Brennkammer (9) ausgehend zunächst durch den ersten Wärmetauscher (6)geführt wird, danach um 180 ° umgelenkt und mittels eines Brennkammerkanals (10),welcher einen Teil des Abgaskanalsystems (5) darstellt, abgedichtet durch die Brenn¬kammer (9) hindurch in den zweiten Wärmetauscher (7) geführt wird.
6. Brennersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Luftkanalsys¬tem (4) eine Luftkammer (13) umfasst, die den zweiten Wärmetauscher (7) zumindestteilweise und in Bereichen, in denen das Brennstoffkanalsystem (3) den zweiten Wär- metauscher (7) nicht umgibt, so umgibt, dass die Luftkammer (13) den zweiten Wärme¬tauscher (7) gegenüber der Umgebung des Brenners (1) thermisch isoliert.
7. Brennersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Brenner (1)durch ein Oberteil (17) und ein Unterteil (18) gebildet wird, wobei das Oberteil (17) zu¬mindest einen Teil des erster Wärmetauschers (6) und zumindest einen Teil des Ab¬gaskanalsystems (5) umfasst, und wobei das Unterteil (18) das Luftkanalsystem (4),das Brennstoffkanalsystem (3) den zweiten Wärmetauscher (7) umfasst, und wobeidas Oberteil (17) und ein Unterteil (18) zusammensteckbar ausgebildet sind.
8. Kraft-Wärme-Kopplungssystem, umfassend ein Brennersystem nach einem der An¬sprüche 1 bis 7.
9. Thermisches Wärmepumpensystem, umfassend ein Brennersystem nach einem derAnsprüche 1 bis 7.