DE10154868A1

DE10154868A1 - Vorrichtung zum Verbrennen eines fluidischen Brennstoffes

Info

Publication number: DE10154868A1
Application number: DE2001154868
Authority: DE
Inventors: Kersten Wehmeier; Norbert Breuer; Ekkehard Laqua; Juergen Waidner; Peter Satzger; Markus Rotert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-11-08
Filing date: 2001-11-08
Publication date: 2003-06-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Verbrennen eines fluidischen Brennstoffes, insbesondere Gasverbrennungsgerät und/oder Heizgerät, mit einem Brenner (2) und mit einer Kühleinrichtung (4), die wärmeübertragend mit dem Brenner (2) gekoppelt ist, wobei die Kühleinrichtung (4) mehrere geschlossene Kühlleitungen (5) aufweist, in denen jeweils zur Kühlung des Brenners (2) ein fluidisches Wärmeübertragungsmedium zirkuliert, wobei jede Kühlleitung (5) in einem ersten Abschnitt (6) wärmeübertragend mit dem Brenner (2) und in einem zweiten Abschnitt (7) wärmeübertragend mit einer Wärmesenke (8) der Kühleinrichtung (4) gekoppelt ist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbrennen eines fluidischen Brennstoffes, insbesondere ein Gasverbrennungsgerät und/oder ein Heizgerät. Eine als Heizgerät ausgebildete Vorrichtung dieser Art kommt beispielsweise in einer Heizungsanlage eines Gebäudes zum Einsatz.

Überlicherweise besitzt eine Vorrichtung dieser Art einen Brenner, mit dem der fluidische Brennstoff, insbesondere ein Gemisch aus Brenngas und Luft, verbrannt wird. Aus sicherheitstechnischen Gründen müssen derartige Vorrichtungen so ausgebildet werden, daß am Brenner ein Rückschlagen der Flamme vermieden wird. Ein solcher Rückschlag kann beispielsweise dadurch unterdrückt werden, daß der Brenner unter die Zündtemperatur des zugeführten Gemischs gekühlt wird. Zusätzlich oder alternativ kann die Einhaltung eines minimalen Löschabstandes realisiert werden, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit größer ist als die Flammausbreitungsgeschwindigkeit. Die Kühlung des Brenners kann dabei mittels einer Kühleinrichtung erfolgen, die wärmeübertragend mit dem Brenner gekoppelt ist. Beispielsweise umfaßt diese Kühleinrichtung eine offene Kühlleitung, die eingangsseitig mit relativ kaltem Wasser beschickt wird und aus der ausgangsseitig relativ heißes Wasser austritt. Das hierbei verwendete Kühlwasser stammt zweckmäßig aus einem Heizkreis, der von der den Brenner enthaltenden Vorrichtung erwärmt werden soll. Die mittels einer solchen Wasserkühlung am Brenner einstellbaren Brennertemperaturen sind jedoch nicht frei wählbar, da die Temperatur des zur Verfügung stehenden Kühlwassers, z. B. bei einer Heizungsanlage, unabhängig von der Brennertemperatur eingestellt wird. Des weiteren ist der mit einer Wasserkühlung realisierbare Temperaturbereich aufgrund der vorgegebenen Siedetemperatur des Wassers beschränkt. Dies ist dann von Nachteil, wenn andere Brennertemperaturen erforderlich sind, um beispielsweise die Vorrichtung hinsichtlich ihrer Schadstoffemission zu optimieren.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß in einer geschlossenen Kühlleitung ein beliebiges fluidisches Wärmeübertragungsmedium zirkulieren kann, so daß insbesondere die Möglichkeit besteht, das Wärmeübertragungsmedium hinsichtlich der einzustellenden Brennertemperatur auszuwählen. Hiedurch können am Brenner, je nach Anwendungsfall, Temperaturen aus einem relativ großen Temperaturbereich realisiert werden. Dementsprechend kann die Vorrichtung mit einer hinsichtlich der Schadstoffemission optimierten Brennertemperatur betrieben werden.

Vorzugsweise ist die Kühlleitung so ausgebildet, daß das Wärmeübertragungsmedium bei aktivierter Kühlleitung in einem mit dem Brenner wärmeübertragend gekoppelten ersten Abschnitt verdampft und in einem mit einer Wärmesenke der Kühleinrichtung wärmeübertragend gekoppelten zweiten Abschnitt kondensiert. Durch dieser Bauweise besitzt die Kühlleitung eine relativ hohe Kühlleistung bzw. kann die Kühlleitung bei einer hinreichenden Kühlleistung relativ klein dimensioniert werden.

Von besonderen Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der die Kühlleitung so ausgebildet ist, daß die Zirkulation des Wärmeübertragungsmittels bei aktivierter Kühlleitung im wesentlichen durch die Temperaturdifferenz zwischen ihrem ersten und ihrem zweiten Abschnitt angetrieben ist. Die Kühlleitung bzw. die Kühleinrichtung kommt dann ohne eine externe Pumpeinrichtung aus. Darüber hinaus ergibt sich dadurch die Möglichkeit, die jeweilige Kühlleitung relativ klein zu dimensionieren.

Kühlleitungen, in denen das Wärmeübertragungsmedium durch die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt angetrieben ist und in denen das Wärmeübertragungsmedium im ersten Abschnitt verdampft und im zweiten Abschnitt kondensiert, sind an sich bekannt und werden als "Heatpipe" bezeichnet. Eine derartige Heatpipe besitzt eine Anspringtemperatur, ab der ein Wärmetransport vom ersten Abschnitt zum zweiten Abschnitt der Kühlleitung stattfindet. Dabei ist für die Erfindung von besondere Bedeutung, daß bei Temperaturen unterhalb dieser Anspringtemperatur nur ein sehr geringer bzw. kein Wärmetransport zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt der Heatpipe stattfindet, während bei Temperaturen oberhalb der Anspringtemperatur der Wärmetransport mit zunehmender Temperatur stark ansteigt. Diese Erkenntnis wird von der Erfindung ausgenutzt, da sich die Temperatur des mittels Heatpipe gekühlten Brenners aufgrund dieser besonderen Eigenschaft nur in einem relativ engen Temperaturbereich bewegt. Mit anderen Worten, am Brenner wird quasi eine konstante Temperatur eingeregelt, die im wesentlichen der Anspringtemperatur der Heatpipe entspricht.

Vorzugsweise kann die Kühlleitung, insbesondere Heatpipe, hinsichtlich einer vorbestimmten, durch die Kühleinrichtung am Brenner einzustellenden Brennertemperatur ausgelegt sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Anzahl der Kühlleitungen, insbesondere Heatpipes, und deren Anordnung im oder am Brenner hinsichtlich dieser einzustellenden Brennertemperatur gewählt sein.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung wird die Kühlleitung, insbesondere die Heatpipe, so ausgelegt, daß ihre Anspringtemperatur im wesentlichen einer vorgestimmten, durch die Kühleinrichtung am Brenner einzustellenden Brennertemperatur entspricht. Durch die Auslegung der Heatpipe kann somit eine gewünschte Brennertemperatur eingestellt bzw. eingeregelt werden, ohne daß dazu eine aufwendige Regelapparatur erforderlich ist.

Bei einer besonderen Ausführungsform können die Kühlleitungen, insbesondere Heatpipes, an einer Trägerstruktur ausgebildet sein oder eine solche Trägerstruktur bilden, wobei diese Trägerstruktur wärmeübertragend mit dem Brenner gekoppelt ist. Die Kühlleitungen können somit unabhängig vom Brenner hergestellt werden, wodurch sich Vorteile bei der Materialauswahl für Brenner und Kühlleitung bzw. Träger ergeben.

Bei einer anderen Ausführungsform können die Kühlleitungen, insbesondere Heatpipes, integral mit dem Brenner ausgebildet sein. Durch diese Bauweise ergibt sich eine besonders intensive wärmeübertragende Kopplung zwischen den Kühlleitungen und dem Brenner.

Von besonderem Vorteil ist eine Weiterbildung, bei der die Kühlleitungen, insbesondere Heatpipes, bei einem als Flächenbrenner ausgebildeten Brenner, in dessen Brennerfläche verlaufen oder dessen Brennerfläche bilden. Die Kühlleitungen bzw. Heatpipes eignen sich in besondere Weise zur Kühlung eines flächigen Elements, was bei einem Flächenbrenner vorteilhaft ausgenutzt wird.

Je nach Anwendungsfall kann es vorteilhaft sein, die Kühlleitungen, insbesondere die Heatpipes, sehr klein zu dimensionieren, beispielsweise um die Form des Brenners durch die damit gekoppelten Kühlleitungen nicht zu beeinträchtigen. Zweckmäßig können die Kühlleitungen, insbesondere Heatpipes, dann durch mikrostrukturierte Bauteile gebildet sein. Insbesondere ist es möglich, die Kühlleitungen, z. B. Heatpipes, mikrogalvanisch herzustellen. Besonders feine Strukturen sind mittels Fertigungstechnologienen realisierbar, mit denen die Kühlleitungen, insbesondere die Heatpipes, netzförmig und/oder räumlich vernetzt ausgebildet sind.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
Die einzige Fig. 1 zeigt eine schematische, stark vereinfachte Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zum Verbrennen eines fluidischen Brennstoffes, die beispielsweise als Gasverbrennungsgerät und/oder als Heizgerät ausgebildet ist, durch einen mit 1 bezeichneten Rahmen symbolisiert. Diese Vorrichtung 1 besitzt einen Brenner 2, der hier als Flächenbrenner mit einer rechteckigen Brennerfläche 3 ausgebildet ist. Des weiteren weist die Vorrichtung 1 eine Kühleinrichtung 4 auf, die zur Kühlung des Brenners 2 dient und mit diesem wärmeübertragend gekoppelt ist. Zu diesem Zweck besitzt die Kühleinrichtung 4 mehrere geschlossene Kühlleitungen 5, in denen jeweils ein hier nicht gezeigtes fluidisches Wärmeübertragungsmedium zirkulieren kann. Jede Kühlleitung 5 ist in einem ersten Abschnitt 6 wärmeübertragend mit dem Brenner 2 gekoppelt. Mit einem zweiten Abschnitt 7 sind die Kühlleitungen 5 jeweils mit einer Wärmesenke 8 der Kühleinrichtung 4 wärmeübetragend gekoppelt. Diese Wärmesenke 8 kann beispielsweise durch einen Wasserspeicher einer Warmwasseraufbereitungsanlage oder einer Gebäudeheizungsanlage gebildet sein; ebenso kann die Wärmesenke 8 durch einen besonderen Leitungsabschnitt im relativ kalten Rücklauf einer solchen Heizanlage gebildet sein.
In der hier gezeigten bevorzugten Ausführungsform sind die Kühlleitungen 5 als sogenannte "Heatpipes" ausgebildet, bei denen das Wärmeübertragungsmedium bei aktivierter Heatpipe im jeweiligen ersten Abschnitt 6 verdampft und im jeweiligen zweiten Abschnitt 7 kondensiert. Darüber hinaus wird bei den Heatpipes 5 die Zirkulation des Wärmeübertragungsmediums bei aktivierter Heatpipe 5 im wesentlichen durch die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Abschnitt 6 und dem zweiten Abschnitt 7 angetrieben. Hierbei können außerdem Kapilareffekte zum Antrieb des Wärmeübertragungsmediums beitragen. Derartige Heatpipes 5 kommen somit ohne externe Pumpmittel od. dgl. aus.
Die Heatpipes 5 verlaufen mit ihren ersten Abschnitten 6 in der Brennerfläche 3. Bevorzugt wird dabei eine Bauweise, bei der die Heatpipes 5 integral mit dem Brenner 2 ausgebildet sind. Beispielsweise können die Heatpipes 5 durch mikrostrukturierte Bauteile gebildet sein und/oder mikrogalvanisch hergestellt sein.
Mit Hilfe der Kühleinrichtung 4 soll am Brenner 2 eine vorbestimmte Brennertemperatur eingestellt bzw. eingeregelt werden. Diese Ziel-Brennertemperatur ist dabei so gewählt, daß ein Rückschlagen der Flamme unterdrückt werden kann. Des weiteren ist die Ziel-Brennertemperatur hinsichtlich einer optimierten Schadstoffemission der Vorrichtung 1 ausgewählt. Damit die Kühleinrichtung 4 diese gewünschte Brennertemperatur am Brenner 2 einstellen bzw. einregeln kann, können die Kühlleitungen 5 bzw. die Heatpipes 5 hinsichtlich dieser Brennertemperatur ausgelegt sein. Zusätzlich oder alternativ kann auch die Anzahl der Kühlleitungen bzw. Heatpipes 5 sowie deren Anordnung im und/oder am Brenner 2 hinsichtlich der gewünschten Brennertemperatur gewählt sein. Eine besondere Einflußgröße für die erzielbare Kühlleistung der Heatpipe 5 ist das darin zirkulierende Wärmeübertragungsmedium. Zweckmäßig wird das Wärmeübertragungsmedium somit ebenfalls im Hinblick auf die erwünschte Brennertemperatur ausgewählt.
Die Kühlleitungen bzw. die Heatpipes 5 sind so ausgestaltet, daß sie eine Anspringtemperatur besitzen, ab der die jeweilige Heatpipe 5 aktiv ist und über das Wärmeübertragungsmedium einen Wärmetransport vom ersten Abschnitt 6 zum zweiten Abschnitt 7 durchführt. Diese Anspringtemperatur muß dabei am ersten Abschnitt 6 der jeweiligen Kühlleitung 5 anliegen, um die Zirkulation des Wärmeübertragungsmediums anzuregen. Bei Heatpipes 5 besteht die Besonderheit, daß bei Temperaturen (am ersten Abschnitt 6) unterhalb der Anspringtemperatur keine oder nur eine sehr geringe Wärmeübertragung vom ersten Abschnitt 6 zum zweiten Abschnitt 7 erfolgt. Sobald jedoch die Anspringtemperatur erreicht ist, steigt das Wärmetransportvermögen der Heatpipe 5 sprungartig an und nimmt bei weiter ansteigenden Temperaturen sehr stark zu. Diese Eigenschaft hat zur Folge, daß die Temperatur der mittels der Heatpipe 5 gekühlten Brennerfläche 3 im wesentlichen nur bis zu dieser Anspringtemperatur der Heatpipes 5 zunehmen kann. Denn je mehr Wärme der Brennerfläche 3 beim Betrieb des Benners 2 zugeführt wird, desto stärker ist die wärmeabführende Wirkung der Heatpipes 5, so daß die Brennertemperatur in einem relativ engen Temperaturbereich um die Anspringtemperatur der Heatpipes 5 schwankt und somit quasi konstant bleibt. Zweckmäßigerweise werden die Heatpipes 5 dann so ausgelegt, daß ihre Anspringtemperatur im wesentlichen der gewünschten Brennertemperatur entspricht. Bezugszeichenliste 1 Vorrichtung
2 Brenner
3 Brennerfläche
4 Kühleinrichtung
5 Kühlleitung/Heatpipe
6 erster Abschnitt von 5
7 zweiter Abschnitt von 5
8 Wärmesenke

Claims

1. Vorrichtung zum Verbrennen eines fluidischen Brennstoffes, insbesondere Gasverbrennungsgerät und/oder Heizgerät, mit einem Brenner (2) und mit einer Kühleinrichtung (4), die wärmeübertragend mit dem Brenner (2) gekoppelt ist, wobei die Kühleinrichtung (4) mindestens eine geschlossene Kühlleitung (5) aufweist, in der zur Kühlung des Brenners (2) ein fluidisches Wärmeübertragungsmedium zirkuliert, wobei jede Kühlleitung (5) in einem ersten Abschnitt (6) wärmeübertragend mit dem Brenner (2) und in einem zweiten Abschnitt (7) wärmeübertragend mit einer Wärmesenke (8) der Kühleinrichtung (4) gekoppelt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlleitung (5) so ausgebildet ist, daß das Wärmeübertragungsmedium bei aktivierter Kühlleitung im ersten Abschnitt (6) verdampft und im zweiten Abschnitt (7) kondensiert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlleitung (5) so ausgebildet ist, daß die Zirkulation des Wärmeübertragungsmediums bei aktivierter Kühlleitung (5) im wesentlichen durch die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Abschnitt (6) und dem zweiten Abschnitt (7) angetrieben ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlleitung (5) hinsichtlich einer vorbestimmten, durch die Kühleinrichtung (4) am Brenner (2) einzustellenden Brennertemperatur ausgelegt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Kühlleitungen (5) und deren Anordnung im und/oder am Brenner (2) hinsichtlich einer vorbestimmten, durch die Kühleinrichtung (4) am Brenner (2) einzustellenden Brennertemperatur gewählt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungsmedium der Kühlleitung (5) hinsichtlich einer vorbestimmten, durch die Kühleinrichtung (4) am Brenner (2) einzustellenden Brennertemperatur gewählt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kühlleitung (5) eine Anspringtemperatur besitzt, ab der die Kühlleitung (5) aktiv ist, wobei jede Kühlleitung (5) so ausgelegt ist, daß ihre Anspringtemperatur im wesentlichen einer vorbestimmten, durch die Kühleinrichtung (4) am Brenner (2) einzustellenden Brennertemperatur entspricht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlleitungen (5) an einer Trägerstruktur ausgebildet sind oder eine Trägerstruktur bilden, wobei diese Trägerstruktur wärmeübertragend mit dem Brenner (2) gekoppelt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlleitungen (5) integral mit dem Brenner (2) ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlleitungen (5) bei einem als Flächenbrenner ausgebildeten Brenner (2) in dessen Brennerfläche (3) verlaufen oder dessen Brennerfläche (3) bilden.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlleitungen (5) durch mikrostrukturierte Bauteile gebildet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlleitungen (5) mikrogalvanisch hergestellt sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlleitungen netzförmig und/oder räumlich vernetzt ausgebildet sind.