DE102004006647A1

DE102004006647A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ableiten von Abgas

Info

Publication number: DE102004006647A1
Application number: DE200410006647
Authority: DE
Inventors: Jakob Dr. Hermann
Original assignee: IFTA INGENIEURBUERO fur THERM; Ifta Ingenieurbuero fur Thermoakustik GmbH
Current assignee: IFTA INGENIEURBUERO fur THERM; Ifta Ingenieurbuero fur Thermoakustik GmbH
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2004-02-11
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2024-02-12
Also published as: DE102004006647B4

Abstract

Verfahren zum Ableiten von Abgas von einer Entstehungsquelle mit einem mit einem Brenner (5) versehenen Brennraum (6), an den einerseits eine mit einem Gebläse (3) versehene Oxidans- oder Luftversorgungsleitung (1) und eine Brennstoffzufuhreinrichtung (2), andererseits eine Abgasstrecke (7) angeschlossen sind, die mit einem Bypass (22) versehen sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ableiten von Abgas von einer Entstehungsquelle mittels einer Abgasstrecke gemäß dem einleitenden Teil des Verfahrenspatentanspruchs. Solche Verfahren sind für Verbrennungssysteme bekannt. An ihnen treten häufig thermoakustische Schwingungen bzw. selbsterregte Verbrennungsschwingungen auf, die es zu vermeiden gilt, was somit verfahrensmäßig Aufgabe der Erfindung ist. Die Erfindung kann dabei für alle verschiedenen Gerätetypen oder Verbrennungssysteme – also hersteller- und bauartunabhängig – eingesetzt werden.
Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß in den Merkmalen des Verfahrenspatentanspruchs. Vorrichtungsmäßig besteht die Lösung der Aufgabe erfindungsgemäß in den Merkmalen der nebengeordneten Vorrichtungspatentansprüche.
Der durch die Erfindung erzielbare Effekt liegt in einem signifikant leisen Arbeiten der entsprechend konzipierten Verbrennungssysteme, Heizgeräte oder Feuerungseinrichtungen, wie z. B. Prozessgaserhitzern, Umluftheizern, Raumheizern, Brauchwasserdurchlauferhitzern, Umlaufwasserheizern mit und ohne Brauchwassererwärmung, direkt beheizten Speichern und sogar Kesseln mit und ohne Saugzug- oder Druckgebläse sowie chemischen Prozessgaserhitzern oder Antriebssystemen, so dass diese Geräte ohne unzumutbare Schallbelastungen für den Aufstellungsort, z. B. Arbeits-, Wohn- oder Kellerräume oder sonstige Standorte, in Betrieb genommen werden können.
Hierzu wird die Erfindung zwischen die Wandungen des Heizgeräts oder des Verbrennungssystems montiert oder gesteckt. Am besten wirkt die Erfindung bei rohrartigen Systemen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Merkmalen der abhängigen Vorrichtungspatentansprüche hervor.
Sieben Ausführungsbeispiele und vier konstruktive Ausführungen der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen die 1 bis 11:
1 ein Verbrennungssystem in Prinzipdarstellung im Schnitt,
2 eine Variante hierzu,
3 eine erste konstruktive Ausführung,
4 eine zweite konstruktive Ausführung,
5 eine dritte konstruktive Ausführung,
6 eine vierte konstruktive Ausführung,
7 eine weitere Variante zum Verbrennungssystem nach 1,
8 eine dritte Variante zum Verbrennungssystem nach 1,
9 eine vierte Variante zum Verbrennungssystem nach 1
10 eine fünfte Variante zum Verbrennungssystem nach 1 und
11 eine letzte Variante zum Verbrennungssystem nach 1.
In allen elf Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen Einzelheiten.
Bin erfindungsgemäßes Verbrennungssystem 10 weist eine Oxidans- oder Luftversorgungsleitung 1 auf, durch die aus der Umgebungsatmosphäre 9 über ein Gebläse 3 das Oxidans oder die Luft angesaugt wird. Der angesaugten Luft wird über eine Brennstoffzufuhreinrichtung 2 flüssiger, gasförmiger, staubförmiger oder sonstiger Brennstoff zugemischt. Anschließend wird das Gemisch über das Gebläse 3, eine stromab des Gebläses verlaufende Gemischbildungsstrecke oder Gemischleitung oder Leitung 4 und einen Brenner 5, welcher als Flammhalter oder/und Mischeinrichtung dient, einem Brennraum 6 zugeführt und dort verbrannt. Die Verbrennungsprodukte bzw. Abgase verlassen den Brennraum 6 über eine durch ein Rohr 11 gebildete Abgasstrecke 7 in Richtung der Umgebungsatmosphäre 9. Zur Auskoppelung der in der Verbrennungszone im Brennraum 6 entstehenden thermischen Leistung können im Brennraum 6 und/oder in der Abgasstrecke 7 ein oder mehrere hier nicht näher dargestellte Wärmetauscher eingebaut sein oder die Wände 12 des Brennraums 6 oder die Wand 18 der Abgasstrecke 7 als Wärmetauscherfläche dienen, wobei im letzteren Fall die Wärme der Umgebungsatmosphäre 9 zugeführt wird. Liegt zwischen dem Brennraum 6 und der Abgasstrecke 7 ein Wärmetauscher als eigenständige Einheit oder ein anderes Element, so ist die Abgasstrecke 7 mittelbar mit dem Brennraum 6 verbunden.
Alternativ zu dem bisher beschriebenen Verbrennungssystem 10 kann der wie auch immer geartete Brennstoff im Gebläse 3, wie in 7 gezeigt, in der Gemischbildungsstrecke oder Gemischleitung oder Leitung 4, wie in 8 gezeigt, oder im oder stromab des als Entstehungsquelle für Abgas anzusehenden Brenners 5 dem Oxidans oder der Luft beigemischt werden. Ebenfalls möglich ist ein Einbau des Gebläses 3 stromab des Brennraums 6 in der Abgasstrecke 7, wodurch gemäß 8 ein Saugsystem entsteht. Ebenfalls möglich ist der Betrieb des Verbrennungssystems 10 ohne Gebläse 3 als atmosphärisches Gerät, wie in den 9, 10 und 11 dargestellt. Ebenfalls nicht zwingend notwendig ist die getrennte Zuführung von Oxidans oder Luft und Brennstoff, vielmehr können diese Stoffe, wie in chemischen Anlagen, bereits vorgemischt zugeführt werden. Bei diesen Systemen entfallen damit die Gemischbildung und oft auch die Gebläse. Wenn Oxidans und Brennstoff stromauf des Brennraums 6 bereits gemischt werden, die zugehörigen Leitungen also nicht einzeln an den Brennraum 6 unmittelbar herangeführt werden, ist dies ein mittelbarer Anschluss der Oxidans- und der Brennstoffleitung. Diese Verbrennungssysteme bestehen damit nur aus Zuführung für Brennstoff und Oxidans oder Luft, Brenner, Brennraum und Abgasstrecke.
Nach dem Ausführungsbeispiel in 1 wird zwischen dem Brennraum 6 und der Abgasstrecke 7 eine zusätzliche rohrartige Verbindung 8 hergestellt und damit ein Teil des Abgases über einen Bypass 22 zur Abgasstrecke 7 geführt. Die rohrartige Verbindung 8 ist an ihren beiden Enden 16 und 17 offen, und ihr Innenraum 14 ist direkt über eine entsprechende, meist gleich große Öffnung in der Brennraumwand 12 mit dem Innenraum 15 des Brennraums 6 und ebenfalls einer meist gleichgroßen Öffnung in der Wand 18 der Abgasstrecke 7 mit dem Innenraum 19 der Abgasstrecke 7 verbunden. Der Querschnitt der rohrartigen Verbindung 8 kann beliebig ausgeführt sein. Somit lassen sich einfache Kreis-, Vierkant- oder Sllipsenrohre einsetzen.
Durch Anbringung dieser rohrartigen Verbindung 8 können störende thermoakustische Schwingungen im Verbrennungssystem 10 durch Schalldruckausgleich zwischen verschiedenen Innenräumen des Verbrennungssystems 10 über die rohrartige Verbindung 8 vermieden werden. Besonders gut wirkt die rohrartige Verbindung 8, wenn die beiden Enden 16 und 17 direkt in oder in der Nähe von zwei verschiedenen Druckbäuchen der im Verbrennungssystem durch eine thermoakustische Schwingung angeregten Schalldruckeigenmode zu liegen kommen und die zeitlichen Schalldruckschwingungen an diesen Druckbäuchen gegenphasig sind. Fügt man die rohrartige Erweiterung 8 an diesem Ort ein, so sind die vorher vorhandenen Schwingungsbäuche eliminiert. Hierzu ist eine Längeneinstellbarkeit entweder der Länge der Abgasstrecke 7 und/oder der rohrartigen Verbindung 8 bzw. des Bypasses 22 sinnvoll. Dies ist in den Ausführungsbeispielen nach 7 gezeigt. Die Längeneinstellung des Bypasses 22 besteht jeweils aus einem Rohrstutzen 23 oder 24 am Brennraum 6 und einer unter Sinschluß einer Ringdichtung 25 darüber gleitenden Rohrhülse 26 oder 27, die bezüglich des Stutzens entsprechend den Pfeilen 28 oder 29 verschiebbar und dann durch ein nicht gezeichnetes Mittel, wie Schellen, festlegbar ist. Die Länge der Abgasstrecke 7 oder die der rohrartigen Verbindung 8 wird derart eingestellt, dass bei Entstehen einer thermoakustischen Schwingung am Zusammenführungspunkt der Abgasströme in der Abgasstrecke 7, also am Ende 17 der rohrartigen Verbindung 8, je nach Start der zeitlichen Betrachtung z.B. ein Schwingungsbauch mit positivem Schalldruck vorliegt, in der rohrartigen Verbindung jedoch ein Schwingungsbauch mit negativem Schalldruck oder nach einer halben Schwingungsperiode umgekehrt, so dass sich beide in jedem Fall ausgleichen. Damit dieses Prinzip funktioniert, muss der Querschnitt des Bypasses 22 mindestens so groß gewählt werden, dass sich ein akustischer Druckausgleich zwischen den durch den Bypass 22 verbundenen Elementen, z.B. der Abgastrecke 7 mit dem Brennraum 6, einstellen kann.
Eine weitere Verbesserung der akustischen Wirkung der rohrartigen Verbindung 8 bzw. des Bypasses 22 lässt sich dadurch erreichen, dass im Innenraum 14 der rohrartigen Verbindung 8 ein schallschluckendes bzw. schallabsorbierendes Material 13, wie in 4 gezeigt ist, ringförmig eingebracht wird, so dass ein Kanal 32 für das Abgas verbleibt und der Durchsatz an Abgas nicht unterbrochen wird. Dieses Material 13 kann die rohrartige Verbindung 8 nur zum Teil oder ganz ausfüllen und verhindert zudem eine zu große Bypassströmung von Abgas durch die rohrartige Verbindung 8 statt durch die Abgasstrecke 7. Gegen Verschmutzungen, aber auch um ein Durchströmen der rohrartigen Verbindung 8 mit Abgas vollständig zu vermeiden, kann diese alternativ, wie in 5 dargestellt, mit einer Folie, Membran oder ähnlichem weichelastischen Material 20, das den thermoakustischen Schalldruckschwingungen nachgibt, gegenüber dem Brennraum-Innenraum 15 oder/und der Abgasstrecke 7 abgedeckt sein. Die Membran 20 muss jedoch so gestaltet sein, dass sie nachgiebig gegenüber den auftretenden Schalldrücken ist und damit ein ausreichender Schalldruckausgleich zwischen Brennraum 6 und Abgasstrecke 7 gewährleistet ist.
Die Membran 20 kann auch in der rohrartigen Verbindung 8 mit einer Füllung in Form eines schallschluckenden bzw. schallabsorbierenden Materials 13 ausweislich 6 kombiniert werden.
Eine weitere Verbesserung der Erfindung wird dadurch erreicht, dass die rohrartige Verbindung 8, wie in 2 gezeigt, mehrfach eingebaut wird, also ein mehrfacher Bypass 22 entsteht. Dabei können die rohrartigen Verbindungen 8 gleiche oder unterschiedliche Längen aufweisen. Ebenfalls möglich sind bei mehreren rohrartigen Verbindungen 8 gleiche oder unterschiedliche Querschnitte sowie unterschiedliche Querschnittsformen. Unter Querschnitt der rohrartigen Verbindung 8 ist der Rohrquerschnitt senkrecht zur Mittelachse 21 der rohrartigen Verbindung 8 zu verstehen. Ebenfalls möglich ist ein sich beliebig ändernder Querschnitt der rohrartigen Verbindung 8 entlang der Mittelachse 21, z. B. in Form eines Kegel- oder Stufenrohrs.
Ferner ist der Einbau mehrerer rohrartiger Verbindungen 8 in verschiedenen Komponenten, also z. B. eine rohrartige Verbindung 8 zwischen Brennraum 6 und Abgasstrecke 7 und eine weitere rohrartige Verbindung 8 zwischen einem ersten und zweiten Abschnitt der Abgasstrecke 7 möglich. Ebenfalls denkbar, jedoch technisch oft nicht praktikabel, ist eine Verbindung zwischen der Gemischbildungsstrecke oder Gemischleitung oder Leitung 4 und der Abgasstrecke 7 oder zwischen dem Brenner 5 und der Abgasstrecke 7.
3 zeigt einen dreidimensionalen Schnitt durch eine reale Ausführung einer rohrartigen Verbindung 8 mit Kreisquerschnitt und Einbau in die Brennraumwand 12 des Brennraums 6 und Abgasstreckenwand 18 der Abgasstrecke 7 und 4 eine ähnliche Ausführung, teilweise gefüllt mit schallabsorbierendem Material 13. 5 zeigt eine praktische Ausführung mit einer Membran 20 in Form einer Kunststofffolie aus weichelastischem Kunststoff, z. B. Viton, einer weichelastischen Keramikfasermembran oder einer Metallfolie, z. B. aus hochwarmfestem Edelstahl mit Bewegungssicken und 6 eine Ausführung mit einer Membran 20 und schallabsorbierendem Material 13.
In 8 ist ein Verbrennungssystem 10 mit einer Verbindung der rohrartigen Verbindung 8 mit dem Zusammenführungspunkt 30 der Brennstoffzufuhreinrichtung 2 und der Luftversorgungsleitung 1 dargestellt.
9 zeigt ein gebläseloses also atmosphärisches Verbrennungssystem 10, bei dem die rohrartige Verbindung 8 in den Innenraum 31 des Brenners 5 mündet. Beim Ausführungsbeispiel nach 10 mündet die rohrartige Verbindung 8 in die Brennstoffzufuhreinrichtung 2.
11 zeigt ein Verbrennungssystem 10, bei dem die wie auch immer geförderten oder atmosphärisch zugeführten Stoffe, Oxidator und Brennstoff, getrennt über eine Oxidans- oder Luftversorgungsleitung 1 und eine Brennstoffleitung 2 bis zum Brenner 5 geführt werden und z. B. dort erst gemischt und verbrannt werden oder z. B. auch erst im Brennraum 6 diffusionsartig verbrennen. Störende thermoakustische Schwingungen werden im gezeigten Fall dadurch vermieden, dass z. B. entweder eine rohrartige Verbindung 8 bzw. ein Bypass 22 zwischen dem Brennraum 6 und der Oxidationsleitung 1 und/oder eine rohrartige Verbindung 8 bzw. ein Bypass 22 zwischen der Abgasstrecke 7 und der Brennstoffleitung 2 hergestellt wird.
Ebenfalls für die Vermeidung von selbsterregten Verbrennungsschwingungen hat sich ein Bypass 22 zwischen der Oxidans- oder Luftversorgungsleitung 1 und der Abgasstrecke 7, zwischen der Brennstoffzu fuhreinrichtung 2 und dem Brennraum 6 oder zwischen einer gemeinsamen Brennstoff-/Oxidansversorgungseinrichtung und dem Brennraum 6 oder der Abgasstrecke 7 bewährt. Denkbar ist bei langen Zufuhrleitungen für Luft bzw. Oxidator und Brennstoff, die entweder getrennt oder gemeinsam geführt sein können, auch eine beliebige Kombination an Bypässen 22 nur zwischen diesen Leitungen, also z. B. ein Bypass zwischen einer Luftversorgungsleitung und einer Brennstoffversorgungsleitung oder ein Bypass zwischen einer Leitung mit einem Gemisch aus Brennstoff und Oxidans oder Luft und einer weiteren Oxidans- oder Luftleitung. Bezugsnummernliste

Claims

Verfahren zum Ableiten von Abgas von einer Entstehungsquelle mittels einer mit einem Bypass (22) versehenen Abgasstrecke (7), wobei die Länge der Abgasstrecke (7) oder die des Bypasses (22) in ihrer Länge variiert werden kann, damit an der Einmündung des Bypasses (22) in die Abgasstrecke (7) ein schwingungsbauch des Schalldruckes des abgashaltigen Mediums im Bypass (22) mit einem solchen entgegengesetzten Vorzeichens in der Abgasstrecke (7) zusammenfällt.
Vorrichtung zum Ableiten von Abgas mit einem mit einem Brenner (5) versehenen Brennraum (6), an den einerseits mindestens mittelbar eine Oxidansleitung (1) und wenigstens mittelbar eine Brennstoffzufuhreinrichtung (2), andererseits mindestens mittelbar eine Abgasstrecke (7) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasstrecke (7) mit einem Bypass (22) versehen ist.
Vorrichtung zum Ableiten von Abgas mit einem mit einem Brenner (5) versehenen Brennraum (6), an den einerseits mindestens mittelbar eine Oxidansleitung (1) und wenigstens mittelbar eine Brennstoffzufuhreinrichtung (2), andererseits mindestens mittelbar eine Abgasstrecke (7) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (22) die Abgasstrecke (7) mit dem Brennraum (6) unmittelbar verbindet.
Vorrichtung zum Ableiten von Abgas mit einem mit einem Brenner (5) versehenen Brennraum (6), an den einerseits mindestens mittelbar eine Oxidansleitung (1) und wenigstens mittelbar eine Brennstoffzufuhreinrichtung (2), andererseits mindestens mittelbar eine Abgasstrecke (7) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (22) die Abgasstrecke (7) mit der Oxidansleitung (1) unmittelbar verbindet.
Vorrichtung zum Ableiten von Abgas mit einem mit einem Brenner (5) versehenen Brennraum (6), an den einerseits mindestens mittelbar eine Oxidansleitung (1) und wenigstens mittelbar eine Brennstoffzufuhreinrichtung (2), andererseits mindestens mittelbar eine Abgasstrecke (7) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (22) die Abgasstrecke (7) mit der Brennstoffzufuhreinrichtung (2) unmittelbar verbindet.
Vorrichtung zum Ableiten von Abgas mit einem mit einem Brenner (5) versehenen Brennraum (6), an den einerseits mindestens mittelbar eine Oxidansleitung (1) und wenigstens mittelbar eine Brennstoffzufuhreinrichtung (2), andererseits mindestens mittelbar eine Abgasstrecke (7) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (22) die Abgasstrecke (7) mit dem Brenner (5) unmittelbar verbindet.
Vorrichtung zum Ableiten von Abgas mit einem mit einem Brenner (5) versehenen Brennraum (6), an den einerseits mindestens mittelbar eine Oxidansleitung (1) und wenigstens mittelbar eine Brennstoffzufuhreinrichtung (2), andererseits mindestens mittelbar eine Abgasstrecke (7) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (22) die Abgasstrecke (7) mit der Gemischbildungsstrecke oder Gemsichleitung oder Leitung (4) vor dem Brenner (5) unmittelbar verbindet.
Vorrichtung zum Ableiten von Abgas mit einem mit einem Brenner (5) versehenen Brennraum (6), an den einerseits mindestens mittelbar eine Oxidansleitung (1) und wenigstens mittelbar eine Brennstoffzufuhreinrichtung (2), andererseits mindestens mittelbar eine Abgasstrecke (7) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (22) den Brennraum (6) mit der Oxidansleitung (1) unmittelbar verbindet.
Vorrichtung zum Ableiten von Abgas mit einem mit einem Brenner (5) versehenen Brennraum (6), an den einerseits mindestens mittelbar eine Oxidansleitung (1) und wenigstens mittelbar eine Brennstoffzufuhreinrichtung (2), andererseits mindestens mittelbar eine Abgasstrecke (7) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (22) den Brennraum (6) mit der Brennstoffzufuhreinrichtung (2) unmittelbar verbindet.
Vorrichtung zum Ableiten von Abgas mit einem mit einem Brenner (5) versehenen Brennraum (6), an den einerseits mindestens mittelbar eine Oxidansleitung (1) und wenigstens mittelbar eine Brennstoffzufuhreinrichtung (2), andererseits mindestens mittelbar eine Abgasstrecke (7) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (22) den Brennraum (6) mit der Gemischbildungsstrecke oder Gemsichleitung oder Leitung (4) unmittelbar verbindet.
Vorrichtung zum Ableiten von Abgas mit einem Verbrennungssystem (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Bypässe (22) vorgesehen sind.
Vorrichtung zum Ableiten von Abgas mit einem Verbrennungssystem (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (22) längenvariabel ausgebildet ist.
Vorrichtung zum Ableiten von Abgas mit einem Verbrennungssystem (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Bypass (22) überbrückte Abschnitt der Abgasstrecke (7) längenvariabel ausgebildet ist.
Vorrichtung zum Ableiten von Abgas mit einem Verbrennungssystem (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (22) einen kleineren oder höchstens den gleichen Querschnitt aufweist, wie der Querschnitt des von ihm überbrückte Abschnitts der Abgasstrecke (7).
Vorrichtung zum Ableiten von Abgas mit einem Verbrennungssystem (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (22) wenigstens teilweise mit einem schallschluckenden oder schallabsorbiernden Material (13) gefüllt ist.
Vorrichtung zum Ableiten von Abgas mit einem Verbrennungssystem (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (22) mit einer weichelastischen Membran (20) verschlossen ist.