DE10155226A1

DE10155226A1 - Heating appliance with burner has porous body in water-cooled burner chamber extending over entire cross-section thereof and with heat guide paths starting from centre of body and ending in inside wall area of chamber

Info

Publication number: DE10155226A1
Application number: DE2001155226
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: 2001-11-09
Filing date: 2001-11-09
Publication date: 2003-05-28
Anticipated expiration: 2021-11-10
Also published as: DE10155226B4

Abstract

The heating appliance has a burner fed with a mixture of fuel and air and provided with a porous body in a water-cooled burner chamber (15). The porous body (10) extends over the entire cross-section of the burner chamber and adjoins the inside wall thereof. The porous body has heat guide paths with a response temperature which extend from the centre of the body and end in the region of the inside wall of the burner chamber. The heat guide paths are in heat-conducting connection with the hot water which circulates in the burner chamber. The heat guide paths are formed by heating pipe sections which start from the centre of the porous body and radiate out towards the inside wall of the burner chamber.

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizgerät mit einem durch ein Brennstoff-Luftgemisch gespeisten Brenner mit einem Porenkörper in einer Brennkammer und einem Wärmeüberträger zwischen Brennkammer und Abgasraum mit Abgasauslass. The invention relates to a heater with a fuel-air mixture fed burner with a porous body in a combustion chamber and a Heat exchanger between the combustion chamber and the exhaust chamber with exhaust outlet.

State of the art

Ein Heizgerät dieser Art ist durch die DE 199 06 406 A1 bekannt. Um nachteilige Wirkungen der das Heizgerät verlassenden Abgase in der Abgasführung zu vermeiden, wird bei diesem bekannten Heizgerät die Temperatur im Abgasauslass erhöht. Dazu wird der Brennraum über einen wärmeleitenden Koppelkörper mit dem Abgasauslass verbunden. A heater of this type is known from DE 199 06 406 A1. Around adverse effects of the exhaust gases leaving the heater in the exhaust system to avoid, the temperature in this known heater Exhaust outlet increased. For this purpose, the combustion chamber has a heat-conducting Coupling body connected to the exhaust outlet.

Bei Brennern mit einem Porenbrenner wird versucht, auf einfache und effektive Art das Temperaturniveau zu beeinflussen. Diese Maßnahme bezeichnet man als Wärmemanagement. Diese Beeinflussung ist aus Gründen der Erfindung niedriger Emissionswerte, der Erhöhung der Lebensdauer des Porenkörpers und der Betriebssicherheit nötig. In the case of burners with a pore burner, attempts are made to find simple and effective ones Way to influence the temperature level. This measure is known as Thermal management. This influence is for the sake of the invention lower emission values, increasing the lifespan of the porous body and Operational security necessary.

Bei den bekannten Brennern mit Porenkörper gibt es verschiedene Ansätze, ein Wärmemanagement zu verwirklichen:

a) Wärmeauskopplung durch Strahlung,
b) angepasste Wärmeauskopplung durch Strahlung mittels teilisolierte Brennkammerwand,
c) direkte Kühlung des Porenkörpers mittels Kühlrohren,
d) direkte Kühlung der Randzonen des Porenkörpers mittels Wärmeleitung an die Brennkammerwand.

In the known burners with a porous body, there are various approaches for realizing heat management:

a) heat extraction by radiation,
b) adapted heat extraction through radiation by means of partially insulated combustion chamber wall,
c) direct cooling of the porous body by means of cooling tubes,
d) direct cooling of the edge zones of the pore body by means of heat conduction to the combustion chamber wall.

Die bekannten Lösungen haben eine Reihe von Nachteilen bzw. Unzulänglichkeiten. Lösungsansätze, die auf Wärmeleitung beruhen, haben den Nachteil, dass schon bei relativ niedrigen Temperaturen des Porenkörpers zu viel Wärme aus diesem entzogen wird. Dies hat zur Folge, dass im Kleinlastbereich die Temperaturen für eine ausreichende CO-CO₂-Oxidation nicht erreicht werden. The known solutions have a number of disadvantages or shortcomings. Approaches based on heat conduction have the disadvantage that too much heat is removed from the pore body even at relatively low temperatures. As a result, the temperatures for sufficient CO-CO ₂ oxidation are not reached in the low-load range.

Wird die Wärme über die Brennkammerwand oder über im Porenkörper angeordnete Kühlrohre ausgekoppelt, kann es zu einer inhomogenen Temperaturverteilung im Porenkörper kommen. In der direkten Umgebung der Kühleinrichtung wird das Brennstoff-Luftgemisch lokal stark abgekühlt. Dies führt zum lokalen Verlöschen der Flamme und damit zu hohen CO-Emissionen. If the heat is on the combustion chamber wall or in the porous body arranged cooling pipes decoupled, it can be an inhomogeneous Temperature distribution in the pore body come. In the immediate vicinity of the cooling device the fuel-air mixture is cooled down strongly locally. This leads to local The flame goes out and the CO emissions are high.

Lösungsansätze, die auf dem Prinzip der Wärmestrahlung beruhen, haben den Nachteil, dass eine homogene Temperaturverteilung nicht sichergestellt werden kann. Vor allem im Zentrum des Porenkörpers kann es zu Überhitzungserscheinungen kommen. Diese lassen sich durch hochporöse Porenkörper mindern, aber nicht vermeiden. Approaches based on the principle of thermal radiation have the Disadvantage that a homogeneous temperature distribution cannot be ensured can. Especially in the center of the pore body it can be too Symptoms of overheating come. These can be reduced by highly porous pores, however do not avoid.

Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einem Heizgerät der eingangs erwähnten Art ein Wärmemanagement zu schaffen, das die Vorteile der Wärmekopplung mittels Strahlung und Wärmeleitung so kombiniert, dass ein homogener Temperaturverlauf im Porenkörper und eine geringe Schadstoffemission über einen sich ändernden Leistungsbereich sichergestellt ist. It is an object of the invention, in a heater of the type mentioned to create a thermal management that uses the advantages of thermal coupling Radiation and heat conduction combined so that a homogeneous Temperature curve in the pore body and a low pollutant emission over one changing performance range is ensured.

Advantages of the invention

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass die Brennkammer wassergekühlt ist, dass der Porenkörper sich über den gesamten Querschnitt der Brennkammer erstreckt und an der Innenwand derselben anliegt und dass der Porenkörper Wärmeleitpfade mit Anspringtemperatur aufweist oder selbst bildet, die vom Zentrum des Porenkörpers ausgehen im Bereich der Innenwand der Brennkammer enden und mit dem in der Brennkammer zirkulierenden Heizungswasser wärmeleitend gekoppelt sind. This object is achieved according to the invention in that the combustion chamber is water-cooled that the porous body extends over the entire cross-section of the Combustion chamber extends and abuts the inner wall thereof and that the Porous body has heat conduction paths with light-off temperature or itself forms, which start from the center of the pore body in the area of the inner wall of the Combustion chamber end and with the circulating in the combustion chamber Heating water are coupled to conduct heat.

Im Bereich kleiner Leistung wird nur wenige Energie aus dem Porenkörper ausgekoppelt. Eine zu starke Abkühlung des Porenkörpers und damit verbunden eine Erhöhung der CO-Emissionen wird vermieden. Bei mittleren und hohen Leistungen wird ein großer Anteil der im Porenkörper freigesetzten Energie direkt aus dem Porenkörper in den Heizkreis ausgekoppelt. Dies geschieht vor allem mittels Wärmestrahlung und den Wärmeleitpfaden. Durch die starke Energieauskopplung wird eine Überhitzung des Porenkörpers vermieden. Eine erhöhte NO_x-Emission findet nicht statt. Darüber hinaus kann der Porenkörper auf einem gewünschten Temperaturniveau gehalten werden. In the low power range, only a little energy is extracted from the porous body. Excessive cooling of the porous body and the associated increase in CO emissions are avoided. With medium and high outputs, a large proportion of the energy released in the porous body is extracted directly from the porous body into the heating circuit. This is done primarily by means of heat radiation and the heat conducting paths. Overheating of the pore body is avoided due to the strong energy coupling. There is no increased NO _x emission. In addition, the porous body can be kept at a desired temperature level.

Nach einer Ausgestaltung hat sich besonders bewährt, wenn vorgesehen wird, dass die Wärmeleitpfade durch Wärmerohrabschnitte gebildet sind, die vom Zentrum des Porenkörpers ausgehen und sich strahlenförmig zur Innenwand der Brennkammer erstrecken und mit dieser wärmeleitend verbunden sind. According to one embodiment, it has proven particularly useful if it is provided that that the heat conduction paths are formed by heat pipe sections, which from Go out center of the pore body and radiate towards the inner wall of the Extend combustion chamber and are connected to it in a heat-conducting manner.

Die Wärmerohrabschnitte werden als zusätzliche Bauelemente in den Porenkörper integriert. Diese Wärmerohrabschnitte können aus handelsüblichen Wärmerohren bestehen, sie können auch so ausgebildet sein, dass sie auf der Basis von µ-strukturierten Bauelementen realisiert sind. Die Wärmerohre können auch durch den Einsatz von Mikrogalvanik gefestigt sein, z. B. netzförmig oder auch räumlich vernetzt. The heat pipe sections are used as additional components in the Integrated pores. These heat pipe sections can be made from commercially available Heat pipes exist, they can also be designed so that they are based of µ-structured components are realized. The heat pipes can too be strengthened by the use of micro electroplating, e.g. B. reticulated or spatially networked.

Die Funktionsvorteile der Wärmerohrabschnitte beruhen auf den speziellen Eigenschaften, wie der Anspringtemperatur. Bei dieser Anspringtemperatur findet ein Wärmetransport vom warmen Bereich im Zentrum des Porenkörpers zum kalten Bereich der gekühlten Brennkammer statt. Diese Anspringtemperatur wird entscheidend vom eingesetzten Wärmeträgermedium in dem Wärmerohrabschnitt bestimmt. Durch geeignete Auswahl des Wärmeträgermediums kann die Anspringtemperatur angepasst werden. Unterhalb der Anspringtemperatur wird über die Wärmerohrabschnitte keine oder nur sehr geringe Wärmeenergie ausgekoppelt. Oberhalb der Anspringtemperatur wird mit steigender Temperatur im Porenkörper immer größere Wärmeenergie übertragen. Die Temperaturen am warmen Ende - d. h. im Zentrum des Porenkörpers - können annähernd konstant gehalten werden. Die speziellen Eigenschaften der Wärmerohre lassen sich gut für ein Wärmemanagement bei einem Heizgerät mit Porenkörper nutzen. Das Ziel des Wärmemanagements ist im unteren Leistungsbereich wenig und im mittleren und oberen Leistungsbereich viel Energie aus dem Porenkörper und damit der Reaktionszone des Brenners auszukoppeln. Durch die Wahl der Anspringtemperatur kann dieser Forderung weitgehend entsprochen werden. Unterstützend wirkt, dass die Energieauskopplung durch Strahlung erst bei höheren Temperaturen einen nennenswerten Anteil an der Gesamtenergieauskopplung leistet. The functional advantages of the heat pipe sections are based on the special Properties such as the light-off temperature. At this light-off temperature takes place Heat transfer from the warm area in the center of the pore body to the cold one Area of the cooled combustion chamber instead. This light off temperature will decisive from the heat transfer medium used in the heat pipe section certainly. The heat transfer medium can be selected appropriately Starting temperature can be adjusted. Below the light-off temperature no or very little thermal energy via the heat pipe sections decoupled. Above the light-off temperature, the temperature in the Porous bodies transfer ever greater heat energy. The temperatures at warm end - d. H. in the center of the porous body - can be almost constant being held. The special properties of the heat pipes work well for heat management in a heater with a porous body. The goal thermal management is low in the lower power range and medium and upper power range a lot of energy from the porous body and thus the Decouple the reaction zone of the burner. By choosing the Starting temperature can largely be met this requirement. supportive has the effect that the energy extraction by radiation only at higher Temperatures makes a significant contribution to the total energy output.

Die Wärmerohrabschnitte werden so in den Porenkörper integriert, dass die Wärmerohrabschnitte im Bereich der Brennkammer mit dem durchströmenden Heizwasser in Kontakt stehen. The heat pipe sections are integrated into the pore body so that the Heat pipe sections in the area of the combustion chamber with the flowing through Heating water in contact.

Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Wärmeleitpfade durch einen in µ-strukturierter Bauweise geführten Porenkörper selbst gebildet sind. According to a further development, it is provided that the heat conduction paths through a pore bodies are formed in a µ-structured construction.

Der Porenkörper besteht vollständig aus einer in Mikrogalvanik gefertigten Struktur und wirkt als Ganzes als Wärmerohr. Der Porenkörper transportiert selbst Wärme aus dem warmen Zentrum zur kalten Innenwand der gekühlten Brennkammer und darüber in das durchströmende Heizungswasser. The porous body consists entirely of a micro-electroplated Structure and acts as a whole as a heat pipe. The porous body transports even heat from the warm center to the cold inner wall of the cooled Combustion chamber and above in the heating water flowing through.

drawing

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: The invention is illustrated in the drawing Embodiments explained in more detail. Show it:

Fig. 1 ein Heizgerät mit im Porenkörper integrierten Wärmerohrabschnitten mit Anspringtemperatur und Fig. 1 is a heater with integrated in the porous body heat pipe sections with light-off temperature and

Fig. 2 ein Heizgerät mit einem Porenkörper, der selbst als Wärmerohr mit Anspringtemperatur ausgebildet ist. Fig. 2 shows a heater with a pore body, which is itself designed as a heat pipe with light-off temperature.

embodiment

Wie Fig. 1 zeigt, ist die Brennkammer 15 des Heizgerätes von dem Heizungswasser durchflossen und gekühlt, stellt daher eine kalte Zone dar. Das Brennstoff-Luftgemisch wird in einem Porenkörper 10 verbrannt, wobei sich im Zentrum des Porenbrenners 10 die Reaktionszone und damit die warme Zone 11 bildet. As Fig. 1 shows, the combustion chamber 15 flows through the heater of the hot water and cooled, thus provides a cold zone. The fuel-air mixture is burned in a pore body 10, wherein in the center of the pore burner 10, the reaction zone and thus the warm Zone 11 forms.

In den Porenkörper 10 sind Wärmerohrabschnitte 12 integriert, die von dem Zentrum strahlenförmig ausgehen und zur Brennkammerwand geführt sind. Sie durchstoßen die Innenwand der Brennkammer 15 und stehen mit dem Heizungswasser in wärmeleitendem Kontakt. In the porous body 10 , heat pipe sections 12 are integrated, which radiate from the center and are guided to the combustion chamber wall. They penetrate the inner wall of the combustion chamber 15 and are in heat-conducting contact with the heating water.

Diese Seite der Wärmerohrabschnitte 12 stellt die kalte Zone 13 dar, so dass ein Wärmetransport vom Zentrum des Porenkörpers 10 zum Heizungswasser gegeben ist, wie die Pfeile andeuten. Das die Brennkammer verlassene Abgas passiert in bekannter Weise den Wärmeübertrager 20, der ebenfalls vom Heizungswasser oder vom Brauchwasser durchflossen wird, und gelangt zum Abgasauslass 16. This side of the heat pipe sections 12 represents the cold zone 13 , so that there is a heat transfer from the center of the pore body 10 to the heating water, as indicated by the arrows. The exhaust gas leaving the combustion chamber passes in a known manner through the heat exchanger 20 , which is also flowed through by the heating water or the process water, and reaches the exhaust gas outlet 16 .

Die Wärmerohrabschnitte 12 können mit einem Wärmeträgermedium gefüllt sein oder selbst aus einem derartigen Material mit einer Anspringtemperatur bestehen. Der Wärmetransport ist daher von der Temperatur der warmen Zone 11 abhängig und nimmt beim Überschreiten der Anspringtemperatur zu. Unterhalb der Anspringtemperatur findet nur ein geringer Wärmetransport statt. Nach dem Überschreiten der Anspringtemperatur nimmt der Wärmetransport mehr und mehr zu, so dass in der warmen Zone 11 eine annähernd konstante Temperatur eingeschalten werden kann. Damit können ein Wärmemanagement realisiert und die Vorteile der Wärmeleitung und der Wärmestrahlung kombiniert werden. The heat pipe sections 12 can be filled with a heat transfer medium or even consist of such a material with a light-off temperature. The heat transport is therefore dependent on the temperature of the warm zone 11 and increases when the light-off temperature is exceeded. Only a small amount of heat is transported below the light-off temperature. After the light-off temperature has been exceeded, the heat transport increases more and more, so that an approximately constant temperature can be switched on in the warm zone 11 . This enables heat management to be implemented and the advantages of heat conduction and heat radiation to be combined.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist der Porenkörper 10 selbst als µ- strukturierter Körper ausgebildet und übernimmt die Funktion eines Wärmerohrabschnittes 12' mit einer Anspringtemperatur. Dieser Porenkörper 10 liegt an der Innenwand der gekühlten Brennkammer 15 an, die die kalte Zone 13' bildet. Im Übrigen unterscheidet sich das Heizgerät nach Fig. 2 nicht vom Heizgerät nach Fig. 1. Die Wirkungsweise unterscheidet sich nicht. Durch die Materialwahl des Porenkörpers 10 kann die Anspringtemperatur und damit das Wärmemanagement angepasst werden. In the exemplary embodiment according to FIG. 2, the pore body 10 itself is designed as a μ-structured body and takes over the function of a heat pipe section 12 ′ with a light-off temperature. This pore body 10 lies against the inner wall of the cooled combustion chamber 15 , which forms the cold zone 13 '. Otherwise, the heater according to FIG. 2 does not differ from the heater according to FIG. 1. The mode of operation does not differ. The light-off temperature and thus the heat management can be adapted by the choice of material of the porous body 10 .

Claims

1. A heater with a burner fed by a fuel-air mixture with a pore body in a combustion chamber and a heat exchanger between the combustion chamber and the exhaust gas chamber with exhaust gas outlet, characterized in that
that the combustion chamber ( 15 ) is water-cooled,
that the pore body ( 10 ) extends over the entire cross section of the combustion chamber ( 15 ) and rests against the inner wall thereof and
that the pore body ( 10 ) has or forms heat conduction paths at the response temperature, which start from the center of the pore body ( 10 ) in the region of the inner wall of the combustion chamber ( 15 ) and are coupled in a heat-conducting manner to the heating water circulating in the combustion chamber ( 15 ).

2. A heater according to claim 1, characterized in that the heat conduction paths are formed by heat pipe sections ( 12 ) which extend from the center of the pore body ( 10 ) and extend radially to the inner wall of the combustion chamber ( 15 ) and are connected to it in a heat-conducting manner.

3. A heater according to claim 2, characterized in that the heat pipe sections ( 12 ) in the region of the combustion chamber ( 15 ) are in contact with the heating water flowing through.

4. Heater according to one of claims 1 to 3, characterized in that the heat pipe sections ( 12 ) are filled with a heat transfer medium.

5. Heater according to one of claims 2 to 4, characterized in that the heat pipe sections ( 12 ) are realized on the basis of µ-structured components.

6. A heater according to claim 1, characterized in that the heat conducting paths ( 12 ') are formed by a pore body ( 10 ) which is designed in a μ-structured construction.

7. Heater according to claim 4 or 5, characterized, that the heat transfer medium has a light-off temperature, below which there is little heat transfer.