Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen integrierten rekuperativen
Brenner mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Ein derartiger Brenner ist beispielsweise aus der DE 198 60 460 A1
bekannt und besitzt einen Brennerkörper, insbesondere
aus einem keramischen Material, sowie eine Brennkammer. Im
Brennerkörper sind zur Brennkammer hin verlaufende
Gaszufuhrkanäle, von der Brennkammer weg verlaufende
Abgasabfuhrkanäle sowie Mittel für eine Brennstoffzufuhr zur
Brennkammer ausgebildet. Dabei wirken die einzelnen Kanäle
nach dem Prinzip eines Gegenstromwärmetauschers zusammen,
bei dem dem abgeführten Abgas Wärme entnommen und dem
zugeführten Gas zugeführt wird.
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Beim bekannten Brenner ist der Brennerkörper durch einen
keramischen Wabenkörper gebildet, der eine Vielzahl von
parallel verlaufenden, schachbrettartig angeordneten Kanälen
besitzt. Diese Kanäle sind dabei in die Gaszufuhrkanäle und
die Abgasabfuhrkahäle unterteilt. Die Anordnung der
Abgasabfuhrkanäle und der Gaszufuhrkanäle erfolgt dabei so,
daß sich der gewünschte Gegenstromwärmetauscher mit
Abgaswärmerückgewinnung ausbildet. Sofern über die
Gaszufuhrkanäle ein Brennstoff-Luft-Gemisch der Brennkammer
zugeführt wird, kann dieses im Gegenstromwärmetauscher
vorgewärmt werden, wobei dem abtransportierten Abgas die
erforderliche Wärme entzogen wird. Durch diese Bauweise kann
der Gesamtwirkungsgrad des Brenners verbessert werden. Wenn
die Vorwärmtemperatur des Brennstoff-Luft-Gemischs die
Zündtemperatur des Gemischs erreicht, kann sich das Gemisch
noch innerhalb der Gaszufuhrkanäle entzünden, das heißt, es
besteht die Gefahr eines Flammenrückschlags. Um diese Gefahr
zu vermeiden, ist es bekannt, die Gaszufuhrkanäle in
Luftzufuhrkanäle und Brennstoffzufuhrkanäle zu unterteilen,
um so die Vermischung von Brennstoff und Luft erst in der
Brennkammer durchzuführen. Brenner mit einer solchen
separaten Brennstoffzuführung und Luftzuführung zur
Brennkammer werden auch als Diffusionsbrenner bezeichnet.
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Für die Herstellung derartiger Brennerkörper haben sich
keramische Werkstoffe, insbesondere Cordierit, bewährt. Die
für diesen Einsatzzweck geeigneten Keramikwerkstoffe sind in
der Regel porös, also mehr oder weniger stark
gasdurchlässig. Diese Porösität läßt sich in der Regel auch
durch aufwendige Abdichtverfahren nicht vollständig
beseitigen, so daß eine Restporösität quasi unvermeidbar
ist. Aufgrund dieser Porösität des Brennerkörpers kann
zwischen den darin ausgebildeten Kanälen ein Gasaustausch
stattfinden, so daß sich ein zündfähiges Brennstoff-Luft-
Gemisch ausbilden kann, das sich bei Erreichen der
Zündtemperatur entzündet.
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Des weiteren wird der Brennstoff üblicherweise über
gasdichte Rohre, z. B. aus Stahl oder Aluminium, den
Brennstoffzufuhrkanälen des Brennerkörpers zugeführt. Zu
diesem Zweck müssen diese Rohre an den Brennerkörper
gasdicht angeschlossen werden. Hierbei besteht das Problem,
daß die Werkstoffe, aus denen die genannten Rohre
üblicherweise hergestellt sind, z. B. Keramikwerkstoffe wie
Al2O3 oder SiC oder hochtemperaturbeständige
Metalllegierungen, üblicherweise einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der sich relativ stark
von demjenigen des für den Brennerkörper verwendeten
Werkstoffs unterscheidet. Beispielsweise beträgt der
thermische Ausdehnungskoeffizienten von Cordierit nur
1,5 × 10-6/°C, während der thermische Ausdehnungskoeffizient
von Al2O3 7 × 10-6/°C und der von Stahl zwischen 10 und
16 × 10-6/°C beträgt. Aufgrund dieser Werkstoffkennwerte kann
der Anschluß des für die Brennstoffzuführung verwendeten
Rohrs an den Brennerkörper bei den im Betrieb des Brenners
sehr unterschiedlichen Temperaturen, die zwischen 20°C (im
kalten Zustand) und 1000°C (im Betrieb) liegen können, nicht
gasdicht ausgebildet werden. Dementsprechend besteht auch im
Bereich dieses Anschlusses die Gefahr eines
Brennstoffaustritts in die Umgebung. Darüber hinaus besteht
die Gefahr, daß im Bereich des Anschlusses thermische
Spannungen auftreten, die bei der thermischen
Wechselbelastung zu Rissen und schließlich zum Bruch des
Brennerkörpers führen können.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Brenner mit den Merkmalen des Anspruchs
1 hat demgegenüber den Vorteil, daß der Brennstoff ohne
Gefahr von Beschädigung des Brennerkörpers und ohne einen
auf Undichtigkeiten zurückgehenden Brennstoffverlust in die
Brennkammer eingeleitet werden kann. Durch die Verwendung
von einem oder mehreren gasdichten Brennstoffzufuhrrohren,
die jeweils in einem, im Brennerkörper ausgebildeten Kanal
verlegt sind, kann zumindest innerhalb des Brennerkörpers
ein Brennstoffaustritt aus den Brennstoffzufuhrrohren
verhindert werden.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform können die
Gaszufuhrkanäle auf einer Seite (Warmseite) des
Brennerkörpers in die Brennkammer einmünden und auf einer
gegenüberliegenden Seite (Kaltseite) des Brennerkörpers in
einer Luftzufuhrkammer einmünden, wobei jedes
Brennstoffzufuhrrohr die Luftzufuhrkammer durchdringt, wobei
jedes Brennstoffzufuhrrohr bei seinem Eintritt in die
Luftzufuhrkammer und/oder bei seinem Austritt aus der
Luftzufuhrkammer abgedichtet ist. Durch diese Bauweise wird
die Abdichtung der Brennstoffzufuhrrohre gegenüber der
Luftzufuhrkammer gezielt dort vorgenommen, wo auch im
Betrieb des Brenners relativ niedrige Temperaturen
herrschen, so daß die ggf. auftretenden
Wärmedehnungsspannungen relativ klein sind. Auf diese Weise
kann eine relativ hohe Sicherheit für die Gasdichtigkeit des
Anschlusses gewährleistet werden.
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Für den Fall, daß das Brennstoffzufuhrrohr einen relativ
großen Querschnitt aufweist, kann der von diesem
Brennstoffzufuhrrohr durchsetzte Kanal einen größeren
Innenquerschnitt aufweisen als die Gaszufuhrkanäle und
separat von diesen im Brennerkörper ausgebildet sein.
Insbesondere kann dieser zusätzliche Kanal nachträglich in
den mit den Gaszufuhrkanälen und Abgasabfuhrkanälen
ausgestatteten Brennerkörper eingearbeitet werden.
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Wenn im Unterschied dazu die Brennstoffzufuhrrohre einen
relativ kleinen Querschnitt aufweisen, können bei einer
besonderen Ausführungsform die Gaszufuhrkanäle in
Luftzufuhrkanäle und Brennstoffzufuhrkanäle unterteilt sein,
wobei dann in jeden Brennstoffzufuhrkanal eines dieser
Brennstoffzufuhrrohre eingesetzt ist. Bei dieser Bauweise
kann ein herkömmlicher Brennerkörper quasi ohne bauliche
Veränderung verwendet werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen
Brenners ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den
Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung
anhand der Zeichnungen.
Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Brenners sind in
den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher
erläutert. Es zeigen, jeweils in einer stark vereinfachten
Prinzipdarstellung,
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Fig. 1 ein schematischer Schnitt durch einen
erfindungsgemäßen Brenner in einer ersten
Schnittebene bei einer ersten Ausführungsform,
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Fig. 2 eine Ansicht wie in Fig. 1, jedoch in einer
zweiten Schnittebene,
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Fig. 3 eine Ansicht wie in Fig. 1, in der ersten
Schnittebene, jedoch bei einer anderen
Ausführungsform, und
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Fig. 4 eine Ansicht wie in Fig. 1, jedoch in einer
dritten Schnittebene bei einer weiteren
Ausführungsform.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Entsprechend den Fig. 1 bis 4 weist ein erfindungsgemäßer
Brenner 1, der vorzugsweise als Strahlungsbrenner
ausgebildet ist, einen Brennerkörper 2 auf, der in Form
eines keramischen Wabenkörpers ausgebildet ist. An einer
Seite des Brennerkörpers 2, üblicherweise an dessen
Oberseite ist eine Brennkammer 3 ausgebildet, deren
Brennfläche 4 im heißen Bereich des Brennerkörpers 2, also
an dessen Heißseite oder Warmseite liegt. Die Brennkammer 3
ist vorzugsweise an der Heißseite des Brennerkörpers 2
eingelassen oder ausgefräst. Die Brennkammer 3 ist gegenüber
der Brennfläche 4, also hier nach oben von einer
Quarzglasplatte 5 abgeschlossen. Der Brennerkörper 2 ist mit
einer Isolierung 6 zur Vermeidung von Wärmeverlusten
versehen, wobei unterhalb des Brennerkörpers 2, also an der
der Heizseite gegenüberliegenden Kaltseite eine
Luftzufuhrkammer 7 ausgebildet ist, der über eine
Luftzufuhrleitung 8 Frischluft zugeführt wird. An der
Unterseite der Luftzufuhrkammer 7, also an einer vom
Brennerkörper 2 abgewandten Seite der Luftzufuhrkammer 7 ist
eine Brennstoffzufuhrkammer 9 ausgebildet, der über eine
Brennstoffzufuhrleitung 10 gasförmiger Brennstoff, z. B.
Methangas, zugeführt wird.
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Der Brennerkörper 2 ist hier als rechteckiger keramischer
Wabenkörper mit schachbrettartig angeordneten, parallel
zueinander verlaufenden Kanälen mit rechteckigem oder
quadratischem Querschnitt ausgebildet. Diese Kanäle sind
unmittelbar benachbart und voneinander lediglich durch dünne
Wände getrennt. Innerhalb des Brennerkörpers 2 sind
Gaszufuhrkanäle 11 und 12 sowie Abgasabfuhrkanäle 13 (vgl.
Fig. 2) ausgebildet. Dabei sind die Gaszufuhrkanäle in
Luftzufuhrkanäle 11 und Brennstoffzufuhrkanäle 12
unterteilt. Die Gaszufuhrkanäle, also die Luftzufuhrkanäle
11 und die Brennstoffzufuhrkanäle 12 sind zu parallelen
Gaszufuhrzeilen 14 zusammengefaßt, die sich mit
Abgasabfuhrzeilen 15 (vgl. Fig. 2) abwechseln, in denen
jeweils mehrere Abgasabfuhrkanäle 13 zusammengefaßt sind.
Die verschiedenen Zeilen 14 und 15 wechseln sich
vorzugsweise periodisch ab. In Fig. 1 ist die Schnittebene
so gewählt, daß sie durch eine der Gaszufuhrzeilen 14
verläuft. Im Unterschied dazu verläuft in Fig. 2 die
Schnittebene durch eine der Abgasabfuhrzeilen 15.
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Entsprechend Fig. 1 erstrecken sich die Gaszufuhrzeilen 14
und somit auch die Gaszufuhrkanäle 11 und 12 bis zur
Luftzufuhrkammer 7, in der sie einmünden. In jeden der
Brennstoffzufuhrkanäle 12 ist ein Brennstoffzufuhrrohr 16
eingesetzt, daß sich von der Brennkammer 3 bis zur
Brennstoffzufuhrkammer 9 erstreckt, wobei die einzelnen
Brennstoffzufuhrrohre 16 die Luftzufuhrkammer 7
durchdringen. Durch eine, die Luftzufuhrkammer 7 von der
Brennstoffzufuhrkammer 9 abtrennenden Trennwand 17, sind
diese Brennstoffzufuhrrohre 16 abgedichtet hindurchgeführt.
Da sich diese Trennwand 17 in einem kalten Bereich des
Brenners 1 befindet, treten dort nur relativ kleine
Temperaturschwankungen auf, so daß die Gefahr von
Beschädigungen sowie Undichtigkeiten aufgrund
unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten
zwischen den Brennstoffzufuhrrohren 16 und dem Werkstoff der
Trennwand 17 relativ gering ist. Die Brennstoffzufuhrrohre
16 sind gasdicht ausgebildet, insbesondere sind sie aus
einem gasdichten Material hergestellt. Als Materialien
eigenen sich beispielsweise Keramik, wie z. B. Al2O3 oder
SiC, oder hochtemperaturbeständige Metalllegierungen. Durch
die Brennstoffzufuhrrohre 16 gelangen die Brennstoffgase
direkt von der Brennstoffzufuhrkammer 9 in die Brennkammer
3, ohne daß vorher die Gefahr besteht, daß sich innerhalb
des Brennerkörpers 2 ein zündfähiges Gemisch bildet. Somit
kann der Brennstoff auf seinem Weg zur Brennkammer 3 auch
auf Temperaturen erhitzt werden, die oberhalb einer
Zündtemperatur für ein Brennstoff-Luft-Gemisch liegen.
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Über die Luftzufuhrkanäle 11 gelangt die Frischluft aus der
Luftzufuhrkammer 7 in die Brennkammer 3, wo sie sich mit dem
zugeführten Brennstoff vermischt, ein zündfähiges Gemisch
bildet und mit dem Brennstoff verbrennt. Je nachdem, wie die
Brennstoffzufuhrrohre 16 in die Brennstoffzufuhrkanäle 12
eingepaßt sind, kann sich zwischen der Außenwand eines
Brennstoffzufuhrrohrs 16 und der Innenwand des zugehörigen
Brennstoffzufuhrkanals 12 ein Spalt ausbilden, durch den
ebenfalls Frischluft von der Luftzufuhrkammer 7 in die
Brennkammer 3 gelangen kann.
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Entsprechend Fig. 2 enden die Abgasabfuhrzeilen 15, also die
Abgasabfuhrkanäle 13 vor der Luftzufuhrkammer 7 und münden
in eine Abgasabfuhrsammelleitung 18 ein, die an
Abgasabfuhrleitungen 19 angeschlossen ist. Dementsprechend
gelangen die Verbrennungsabgase aus der Brennkammer 3 durch
die Abgasabfuhrkanäle 13 in die Abgasabfuhrsammelleitung 18
und werden über die Abgasabfuhrleitungen 19 abgeführt.
Zwischen der Abgasabfuhrsammelleitung 18 und der
Luftzufuhrkammer 7 ist eine gasdichte Trennwand 20
ausgebildet.
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Durch die Anordnung der einzelnen Kanäle 11, 12, 13
innerhalb des Brennerkörpers 2 erfolgt die Strömungsführung
nach dem Gegenstromprinzip, wobei über die gemeinsamen Wände
benachbarter Kanäle 11, 12, 13 eine Wärmeübertragung
stattfinden kann, so daß der Brennerkörper 2 als
Gegenstromwärmetauscher wirkt. Diese Bauweise hat zur Folge,
daß die der Brennkammer 3 zugeführte Luft sowie der der
Brennkammer 3 zugeführte Brennstoff vor dem Eintritt in die
Brennkammer 3 erwärmt werden, wobei gleichzeitig die
abgeführten Abgase abgekühlt werden.
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Bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform
besitzen die Brennstoffzufuhrrohre 16 jeweils einen
Außenquerschnitt, der kleiner ist als der Innenquerschnitt
der Kanäle 11, 12, 13 des Brennerkörpers 2. Dementsprechend
können die Brennstoffzufuhrrohre 16 ohne bauliche
Veränderung des Brennerkörpers 2 in die zur Brennstoffzufuhr
vorgesehenen Brennstoffzufuhrkanäle 12 eingesetzt werden. Da
der durchströmbare Querschnitt dieser Brennstoffzufuhrrohre
16 dadurch relativ klein ist (die Brennstoffzufuhrrohre 16
können einen Außendurchmesser von 0,5 mm aufweisen), ist
eine relativ große Anzahl an Brennstoffzufuhrrohren 16
erforderlich, um die Brennkammer 3 mit dem notwendigen
Brennstoffvolumenstrom zu versorgen.
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Im Unterschied dazu ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3
wenigstens ein Brennstoffzufuhrrohr 21 vorgesehen, dessen
Außenquerschnitt größer ist als der Innenquerschnitt eines
Gaszufuhrkanals 11. Dementsprechend ist im Brennerkörper 2
ein separater Kanal 22 ausgebildet, der parallel zu den
Gaszufuhrkanälen 11 verläuft, jedoch einen entsprechend
größeren Innenquerschnitt aufweist, so daß sich das
Brennstoffzufuhrrohr 21 durch diesen Kanal 22 hindurch
erstrecken kann. Im vorliegenden Fall endet das
Brennstoffzufuhrrohr 21 in der Brennkammer 3 und mündet
dabei in einen Brennstoffverteiler 23. Dieser
Brennstoffverteiler 23 besitzt eine Vielzahl von nicht
gezeigten Brennstoffaustrittsöffnungen, die in der
Brennkammer 3 eine gewünschte Verteilung des zugeführten
Brennstoffs bewirken. Sofern sich der Kanal 22 über mehrere
Zeilen 14, 15 erstreckt, kann der Kanal 22 gasdicht
ausgestaltet sein. Insbesondere kann in den Kanal 22 eine
gasdichte Hülse eingesetzt sein. Durch die gasdichte
Ausgestaltung des Kanals 22 kann eine Vermischung von
Frischluft und Abgas vermieden werden.
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Im Unterschied zu den Ausführungsformen der Fig. 1 bis 3
sind bei einer anderen Ausführungsform gemäß Fig. 4 die
Brennstoffzufuhrkanäle 12 zu Brennstoffzufuhrzeilen 24
zusammengefaßt, wobei in entsprechender Weise die
Luftzufuhrkanäle 11 zu Luftzufuhrzeilen zusammengefaßt sind,
die jedoch in der Schnittebene der Fig. 4 nicht erkennbar
sind. Bei dieser Ausführungsform erstrecken sich die
Brennstoffzufuhrzeilen 24 bis zur Brennstoffzufuhrkammer 9
und münden in diese ein. In den einzelnen
Brennstoffzufuhrkanälen 12 jeder Brennstoffzufuhrzeile 24
sind die Brennstoffzufuhrrohre 16 verlegt, die sich somit
ebenfalls direkt von der Brennstoffzufuhrkammer 9 bis zur
Brennkammer 3 erstrecken. Dabei sind die
Brennstoffzufuhrrohre 16 in dem der Brennstoffzufuhrkammer 9
zugewandten Mündungsbereich abgedichtet in den
Brennstoffzufuhrkanälen 12 angeordnet, um eine
Brennstoffströmung durch den Brennstoffzufuhrkanal 12 unter
Umgehung des darin geführten Brennstoffzufuhrrohrs 16 zu
vermeiden. Die Abdichtung bzw. Anbindung der
Brennstoffzufuhrrohre 16 bzw. 21 kann beispielsweise mittels
einer Klebverbindung erreicht werden.
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Die Luftzufuhrzeilen des Brennerkörpers 2 enden vor der
Brennstoffzufuhrkammer 9 und münden in eine im Schnitt der
Fig. 4 verdeckte Luftzufuhrsammelleitung 25 ein, die
ihrerseits mit der Luftzufuhrleitung 8 verbunden ist. Die
Luftzufuhrsammelleitung 25 ist gegenüber der
Brennstoffzufuhrkammer 9 abgedichtet, um so die Frischluft
vom Brennstoff zu trennen.
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Die Luftzufuhrsammelleitung 25 der Ausführungsform gemäß
Fig. 4 entspricht dabei der Luftzufuhrkammer 7 der
Ausführungsform gemäß den Fig. 1 bis 3. Sofern mehrere
Luftzufuhrsammelleitungen 25 vorgesehen sind, entsprechen
diese in ihrer Gesamtheit der Luftzufuhrkammer 7.
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Die Abgasabfuhrzeilen 15 enden - wie in den
Ausführungsformen der Fig. 1 bis 3 - noch weiter oben und
münden in der Abgasabfuhrsammelleitung 18. Der Aufbau der
Abgasabfuhrzeilen 15 und der Luftzufuhrzeilen in Fig. 4
entspricht dabei dem Aufbau der Abgasabfuhrzeilen 15 der
Ausführungsform gemäß den Fig. 1 bis 3.
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Durch die erfindungsgemäße Bauweise kann ein gasdichter
Transport der Brennstoffgase bis in die Brennkammer 3
gewährleistet werden, selbst wenn für den Brennerkörper 2
ein poröses Material verwendet wird. Die einzelnen
Brennstoffzufuhrrohre 16 bzw. 21 sind erfindungsgemäß stets
in einem kalten Bereich des Brenners 1 an den Brenner 1
angeschlossen bzw. gegenüber der Luftseite und/oder der
Abgasseite abgedichtet. In diesem Bereich wirken sich
unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten
aufgrund der relativ kleinen Temperaturschwankungen
vergleichsweise wenig aus, so daß insbesondere für eine
recht hohe Lebensdauer eine wirksame Abdichtung
gewährleistet werden kann.
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Durch eine geeignete Werkstoffwahl für den Brennerkörper 2
kann dieser im Betrieb des Brenners 1 Strahlung in einem
relativ schmalbandigen Frequenzbereich emittieren. Der
Brenner 1 eignet sich dann beispielsweise als
Strahlungsbrenner und kann insbesondere auch als
Energiequelle für oder in einem thermofotovoltaischen
Generator verwendet werden. Zu diesem Zweck kann die von der
Brennkammer 3 des Brenners 1 ausgehende Strahlung
beispielsweise über die Quarzglasplatte 5 ausgekoppelt und
auf eine an sich bekannte Fotozelle oder Solarzelle, wie
z. B. Siliziumsolarzelle, geleitet werden, die oberhalb der
Quarzglasplatte. 5 angebracht ist.
Bezugszeichenliste
1 Brenner
2 Brennerkörper
3 Brennkammer
4 Brennfläche
5 Quarzglasplatte
6 Isolierung
7 Luftzufuhrkammer
8 Luftzufuhrleitung
9 Brennstoffzufuhrkammer
10 Brennstoffzufuhrleitung
11 Luftzufuhrkanal
12 Brennstoffzufuhrkanal
13 Abgasabfuhrkanal
14 Gaszufuhrzeile
15 Abgasabfuhrzeile
16 Brennstoffzufuhrrohr
17 Trennwand
18 Abgasabfuhrsammelleitung
19 Abgasabfuhrleitung
20 Trennwand
21 Brennstoffzufuhrrohr
22 Kanal
23 Brennstoffverteiler
24 Brennstoffzufuhrzeile
25 Luftzufuhrsammelleitung