DE102006046053A1 - Nicht vorgemischter Brenner - Google Patents

Abstract

Bei der Erfindung handelt es sich um einen nicht vorgemischten Brenner, welcher durch eine besondere Anordnung der Einlassöffnungen für die Reaktanten einen kurzen mittleren Mischweg aufweist, wodurch die Flammenlänge kurz bleiben kann. Die besondere Anordnung der Einlassöffnungen hat dabei die Eigenschaft, dass sie mit einfachen und günstigen Konstruktionen zu verwirklichen ist. Eine große Flammenlänge ist ein bedeutender Nachteil von konventionellen, nicht vorgemischten Brennern, verglichen mit vorgemischten Brennern. Die Erfindung hebt diesen Nachteil größtenteils auf.

Description

• Bei der hier beschriebenen Erfindung handelt es sich um eine einfache Konstruktion für einen Brenner, der nicht vorgemischt ist, aber dennoch kurze Flammen aufweist.
• Brenner können unterteilt werden in vorgemischte und nicht vorgemischte Brenner.
• Bei nicht vorgemischten Brennern wird die Luft dem Brennstoff in der Brennkammer beigefügt. Die Verbrennungsgeschwindigkeit wird begrenzt durch die Geschwindigkeit, mit der sich der Brennstoff mit der Luft vermischt. Ein Vorteil von nicht vorgemischten Brennern ist, dass häufig kein Ventilator oder Gebläse in das System eingebaut werden muss. Viele einfache Brenner sind daher nicht vorgemischte Brenner. Hierbei seien Brenner in Küchenherden und in älteren Heizkessel für die Zentralheizung genannt.
• Ein Nachteil nicht vorgemischter Brenner ist das vielfach zu große Volumen für den Verbrennungsprozess. Der Grund hierfür ist die Limitierung der Verbrennungsgeschwindigkeit durch die träge Vermischung des Brennstoffes mit der Luft. Bei vorgemischten Brennern erfolgt die Vermischung im Vorfeld und ermöglicht somit kürzere Flammen. Eine kleinere Flamme bedeutet in den meisten Fällen eine niedrigere NO_x-Emission, da die Verweilzeit des Brennstoffgemisches in der Flamme niedriger ist. Ein weiterer Vorteil vorgemischter Brenner kann der geringere Luftüberschuss sein, was sich günstig auf den Wirkungs grad auswirkt. Aufgrund der hier genannten Vorteile sind die vorgemischten Brenner in letzter Zeit besonders bei Heizungskessel populärer geworden.
• Vorgemischte Brenner haben jedoch gegenüber nicht vorgemischten Brennern auch Nachteile. Für eine gute Flamme ist es wichtig, dass der Ort der Flammenbildung stabil ist. Dieser Ort wird bei vorgemischten Brennern durch das Gleichgewicht zwischen der Gemischzufuhr und der Verbrennung bestimmt. Ist die Zufuhrgeschwindigkeit höher als die Verbrennungsgeschwindigkeit, so tritt ein Abblasen auf. Ist die Zufuhrgeschwindigkeit jedoch niedriger als die Verbrennungsgeschwindigkeit, so kann ein Rückschlagen erfolgen oder die Flamme kann sich zu nahe an der Brennerdecke befinden, wobei diese dann zu heiß wird. Gleichzeitig gestaltet sich das Herstellen des Gleichgewichtes zwischen Zufuhrgeschwindigkeit und Verbrennungsgeschwindigkeit in einem weiten Bereich der Brennerleistung und der Gemischzusammenstellung als schwierig. Bei nicht vorgemischten Brennern formt sich eine stabile Flamme direkt am Ort der Gemischbildung. Ein Rückschlagen kann leichter verhindert werden, da stromaufwärts, von einem bestimmten Punkt aus betrachtet, kein brennbares Gemisch mehr vorhanden ist. Daher sind nicht vorgemischte Brenner besser in der Lage, bei sich ändernden Brennerleistungen und Gasgemischen ihre Funktionalität aufrecht zu erhalten. Auch bleibt die Flamme bei nicht vorgemischten Brennern bei hohem Luftüberschuss erhalten.
• Die Vorteile von nicht vorgemischten Brennern können z.B. bei der Auslegung von Reformern, bei denen ein Brenner für die Verbrennung von so genanntem Offgas verwendet wird, ausschlaggebend sein. Offgas ist der Teil eines Reformergases (Reformat), welcher von den Einrichtungen, denen das Reformat geliefert wird, nicht genutzt wird. Diese Einrichtungen sind z.B. Brennstoffzellen oder Anlagen zur Wasserstoffreinigung. Das nicht genutzte Gas oder Offgas ist bezüglich seiner Zusammenstellung, Menge und Temperatur veränderlich. Für einen vorgemischten Brenner wird es schwierig sein, in diesen unterschiedlichen Situationen stabil zu arbeiten. Das Offgas kann auch Wasserstoff beinhalten. Ein vorgemischtes Gas, bestehend aus Luft und Wasserstoff, weist eine hohe Verbrennungsgeschwindigkeit auf, was zu einem großen Problem durch eine vorzeitige Verbrennung, Explosion und Rückschlag führen kann.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
• 1 zeigt das allgemeine Prinzip der Erfindung.
• 2 stellt die zylindersymmetrische Variante der Erfindung dar.
• 3 veranschaulicht eine weitere Abwandlung der Erfindung mit zweifacher Anwendung des Erfindungsprinzips
• 4 stellt eine günstig herzustellende Variation der Erfindung dar
• Die hier beschriebene Erfindung behandelt einen nicht vorgemischten Brenner, der die Nachteile der vorgemischten Brennern nicht aufweist, aber auch Nachteile von nicht vorgemischten Brennern teilweise vermeidet. Der bedeutendste Nachteil der nicht vorgemischten Brennern ist die Eigenschaft, dass bei gewünschter Leistung die Flammenlänge zu groß wird. Der Grund hierfür ist die lange Zeit, die die Vermischung von Luft und Brennstoff benötigt. Eine Lösung ist die Vergrößerung der Oberfläche, an der die Vermischung stattfindet, bei gleichzeitiger Verringerung des Diffusionsweges, den die Gase zurücklegen müssen. Die Erfindung verwirklicht dies ohne komplizierte und teuere Konstruktionen. Anhand der Figuren soll dies im Folgenden verdeutlicht werden.
• 1 stellt das allgemeine Prinzip der Erfindung dar. 2 zeigt eine zylindersymmetrische Variante der Erfindung. 3 veranschaulicht eine weitere Abwandlung der Erfindung, wobei das Prinzip der Erfindung zweimal Verwendung findet. In 4 ist eine Variante dargestellt, welche eine günstig herzustellende Geometrie aufweist.
• Die Erfindung sieht drei Kammern vor, bei der eine Kammer [1] für die Brennstoffzufuhr und eine Kammer [2] für die Zufuhr von Luft oder einem sauerstoffreichen Gemisch verwendet wird. Die beiden Kammern sind über eine Anzahl von Einlassöffnungen [4, 5, 6] mit der dritten Kammer [3], der eigentlichen Brennkammer, verbunden. Das Gas soll durch die Einlässe in eine Reihe von Ströme strömen, die eine kegelförmige Strömung verursachen. Eine Anzahl [5] der Einlässe für die Luftströme sind nahe entlang den Einlassöffnungen [4] für die Brennstoffströme angeordnet, so dass die Luft sich über einen kurzen Diffusionsweg mit dem Brennstoff vermischen kann. Ein weiterer Teil [6] der Lufteinlässe ist so positioniert, dass die Luftströme zwischen den Brennstoffströmen durchschießen. Hierdurch entstehen eine zweite und dritte Front, in denen Diffusion stattfinden kann. Die zweite Front besteht hierbei aus den Seitenflächen zwischen den Brennstoffströmen, durch die jetzt die Luft strömt, im Gegensatz zu einer konventionelleren Aufstellung ohne Einlässe [6]. Die dritte Front wird durch die Hinterseite der Brennstoffströme gebildet, wohin ein Teil der Luft aus den Einlässen gelangt. In einigem Abstand stromaufwärts von den Einlassöffnungen entsteht nun ein Gebiet, in der der Brennstoff von allen Seiten mit Luft umgeben ist. In konventionellen Systemen wäre für die Zufuhr der Reaktanten eine komplizierte Anordnung notwendig gewesen.
• Die Erfindung verwirklicht daher mit nur zwei Zufuhrwegen für die Reaktanten eine große Anzahl von Brennstoffströmen, die an allen Seiten mit einer ausreichenden Menge an Luft oder sauerstoffreichem Gemisch umgeben sind.
• Da bei der Verbrennung häufig mehr Luft als Brennstoff benötig wird, oftmals mit einem ein Übermaß an Luft, ist es sehr viel wichtiger, dass die Luft den Brennstoff und nicht der Brennstoff die Luft überall umgibt. Das Prinzip der Erfindung arbeitet jedoch ebenso gut, wenn man die Luft und den Brennstoff austauscht oder durch beliebige Reaktanten ersetzt. Ein solcher Reaktant kann aus einem Brennstoff bestehen, der bereits einen Teil der zu verbrauchenden Luft oder des benötigten Sauerstoffs beinhaltet.
• Eine wichtige Variante der Erfindung stellt eine zylindersymmetrische Geometrie dar. Zylindersymmetrie ist vielfach in Verbindung mit einer guten Temperaturverteilung erwünscht. Ohne komplizierten Aufbau ist es bei dieser Geometrie schwierig, die Luft von zwei Seiten an den Brennstoff heran zuführen. Die Erfindung zeigt für dieses Problem eine geeignete Lösung auf.
• Die Erfindung ermöglicht es einem Reaktanten in einen Bereich zu strömen, der in konventionellen Brennern erst durch das Anbringen von zusätzlichen Zufuhrvorrichtungen im Brenner für den Reaktanten zugänglich ist. Dieses Prinzip kann innerhalb eines Brenners mehrfach angewandt werden. 3 veranschaulicht eine Variante, bei der für beide Reaktanten Einlassströme verwirklicht sind, die zwischen den Strömen für die anderen Reaktanten durchschießen. In dieser Variante sind stromabwärts von den Einlassöffnungen vier Bereiche zu unterscheiden, bei denen sich die beiden Reaktanten abwechseln, beginnend mit dem ersten Reaktanten, dann dem Zweiten, wieder der erste Reaktant und nochmals der Zweite. Bei der ursprünglichen Version der Erfindung waren drei Gebiete zu unter scheiden (erster Reaktant, zweiter Reaktant und wiederum erster Reaktant). Es lassen sich eine große Zahl solcher Variationen vorstellen.
• Beim Entwurf des Brenners gibt es eine Reihe von Parametern, die optimiert werden können. Die Größe, Form, Anzahl, der gegenseitige Abstand und der Winkel, unter dem die Öffnungen stehen, kann variiert werden. Dabei sollte vor allem die Tatsache beachtet werden, dass Luftströme nicht wie selbstverständlich zwischen den Brennstoffströmen durchschießen. Eine Reihe von Strömen bildet in einigem Abstand stromabwärts von den Einlässen einen mehr oder minder ständigen Strömungsschleier. Zweier solcher Schleier sollten nicht Neigung haben, sich in vorhersagbarer Weise zu schneiden. Sie sollten eher zusammenstoßen und danach parallel strömen. Daher sollten Ströme einander kreuzen, bis sie miteinander zu einem Schleier verschmelzen. Auch ist es möglich, dass die Ströme einander beeinflussen, wodurch unerwünschte Turbulenzen entstehen. Um dies zu verhindern, müssen die strömungserzeugenden Schleier viel weiter außeinander platziert und die sich Kreuzenden nahe bei den Einlassöffnungen gewählt werden. Der Abstand zwischen den Einlässen sollte darum auch nicht zu groß gewählt werden, da hierdurch der Diffusionsweg und damit die Flammenlänge zu groß wird.
• 4 zeigt eine Variante, bei welcher die Zufuhrsysteme für den Brennstoff und die Luft die Form eines Rohres haben. Auf diese Art und Weise kann der Brenner sehr einfach hergestellt werden. An Stelle eines Rohres kann auch eine aus Plattenmaterial gefaltete Rohrkon struktion verwendet werden, bei der die Einlassöffnungen in das Plattenmaterial gestanzt werden.
• Um das Prinzip der Erfindung genauer beschreiben zu können, ist es nützlich, den Begriff "minimale Oberfläche" zu verwenden. „Minimale Oberfläche" ist ein in der Wissenschaft gebräuchlicher Terminus. Die minimale Oberfläche ist die Oberfläche, die mit so wenigen Krümmungen wie möglich bestimmte Randbedingungen erfüllt. Die minimale Oberfläche der Hauptstromlinien einer Reihe von Strömen ist die Oberfläche, die alle diese Hauptstromlinien beinhaltet und gleichzeitig so glatt wie möglich ist. Diese Oberfläche stimmt mit dem Strömungsschleier überein, der weiter stromabwärts von der Einströmung durch Verschmelzung der Ströme entstanden ist. Die minimalen Oberflächen der zwei Reihen von Ströme sollten sich in einer Linie gegenseitig schneiden, die sich näher stromabwärts der Einlassöffnungen befindet als ungefähr das Fünffache des Abstandes zweier angrenzender Ströme der gleichen Reihe. Durch diese Schnittlinie sollten sowohl Ströme der ersten als auch der zweiten Reihen laufen. Damit diese Ströme nicht miteinander zusammenstoßen, schneiden sich die Hauptstromlinien der Ströme in den Punkten der Schnittlinie, die im Vergleich zu den einzelnen Strömen verschoben und in einigem Abstand zu den einzelnen Strömen liegt.

Claims (8)

1. Brenner, versehen mit einer Kammer für die Zufuhr eines ersten Reaktanten, einer Kammer für die Zufuhr eines zweiten Reaktanten, einer Brennkammer, worin der erste und der zweite Reaktant miteinander reagieren können, und mehreren Öffnungen, welche unterteilt sind in eine erste Reihe von Einlassöffnungen, einer zweiten Reihe von Einlassöffnungen und einer dritten Reihe von Einlassöffnungen, bei dem die erste Reihe von Einlassöffnungen die Kammer für die Zufuhr des ersten Reaktanten mit der Brennkammer verbindet und bei dem sowohl die zweite Reihe von Einlassöffnungen als auch die dritte Reihe von Einlassöffnungen die Kammer für die Zufuhr des zweiten Reaktanten mit der Brennkammer verbindet, so dass der erste Reaktant und der zweite Reaktant durch die Einlassöffnungen in die Brennkammer strömen können, in Form einer respektive ersten Stromreihe, einer zweiten Stromreihe, einer dritten Stromreihe, gekennzeichnet dadurch, dass die Einlassöffnungen so angeordnet sind, dass die zweite Stromreihe nahe entlang und hauptsächlich parallel der ersten Stromreihe fließen sollte und bei dem die dritte Stromreihe hauptsächlich derart im Vergleich zur der ersten Stromreihe fließt, dass die minimale Oberfläche der Hauptströmungslinien der dritten Stromreihe die minimale Oberfläche der Hauptströmungslinien der ersten Stromreihe in einer Schnittlinie, welche stromabwärts der Reiheneinlassöffnungen läuft, schneidet, und bei dem die Hauptstromlinien einzelner Ströme der dritten Stromreihe die genannte Schnittlinie in den Punkten schneidet, die bezüglich der Schnittpunkte der Hauptstromlinien der einzelnen Ströme der ersten Stromreihe mit der Schnittlinie deutlich verschoben sind, so dass die dritte Stromreihe die erste Stromreihe durchschneiden kann, ohne dass einzelne Ströme miteinander zusammenstoßen, so dass weiter stromabwärts von der Schnittlinie der erste Reaktant gleichzeitig an mehreren Seiten durch Ströme des zweiten Reaktanten umgeben werden kann, wodurch die Mischzeit der Reaktanten verglichen zu konventionellen Brennern verkürzt werden kann.
2. Brenner wie in Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Kammer für die Zufuhr des ersten Reaktanten und die Kammer für die Zufuhr des zweiten Reaktanten konzentrisch zueinander angeordnet sind, und bei dem die Einlassöffnungen in konzentrischen Ringen angeordnet sind, wodurch sich die Flamme nahezu zylindersymmetrisch ausbildet und daher rund um die Flamme und weiter stromabwärts eine zylindersymmetrische Temperaturverteilung verwirklicht werden kann.
3. Methode zur Herstellung eines Brenners gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Einlassöffnungen in ein Plattenmaterial eingebracht sind, bei der das Plattenmaterial nach dem Einbringen der Einlassöffnungen mit einer Plattenbearbeitungstechnik umgeformt wird zu einer Kammer für die Zufuhr des ersten Reaktanten und einer Kammer für die Zufuhr des zweiten Reaktanten.
4. Brenner wie in Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, das der zweite Reaktant hauptsächlich aus Luft besteht und der erste Reaktant hauptsächlich aus einem brennbaren Gas.
5. Brenner gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass der erste Reaktant hauptsächlich aus Luft besteht und der zweite Reaktant hauptsächlich aus einem brennbaren Gas.
6. Brenner wie in Anspruch 4 oder Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass das brennbare Gas hauptsächlich aus Offgas einer Druckwechseladsorptionsanlage (PSA – pressure swing adsorption) oder aus dem Offgas einer Brennstoffzelle besteht.
7. Dampfreformer, gekennzeichnet dadurch, dass dieser einen Brenner gemäß den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 beinhaltet.
8. Dampfreformer wie in Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, dass die durch den Brenner erzeugte Wärme zur vollständigen oder teilweisen Produktion des für den Prozess benötigten Wasserdampfs oder für die vollständige oder teilweise Bereitstellung der Reaktionswärme für den endothermen Dampfreformierprozess oder einer Kombination von beiden genutzt wird.