-
Die
Erfindung betrifft einen Brenner für ein Heizgerät
zur Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe,
insbesondere für mobile Anwendungen, und eine Baugruppe
aus einem Brenner und einem Wärmeübertrager.
-
Aus
der
DE 43 39 045 A1 ist
ein Lufterhitzer bekannt, bestehend aus einer mit einem Brenner
bestückten Brennkammer mit nachgeschalteten Rauchgaszug
und die Brennkammer und/oder den Rauchgaszug umgebenden Wärmetauschflächen
zur Erwärmung von Frischluft. Bei indirektem Betrieb des Lufterhitzers
ist das Rauchgas in einem Rauchgaskamin abführbar. Bei
direktem Betrieb wird das in der Brennkammer erzeugte Heißgas
zur Heißlufterzeugung direkt der Frischluft zugeführt.
Bei einem direkten Lufterhitzerbetrieb sind die in der Brennkammer erzeugten
Rauchgase aus dem Rauchgaszug über verstellbare Öffnungen
der erwärmten Frischluft zuführbar.
-
Es
ist wünschenswert, Brenner für ein Heizgerät
zur Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe
weiter zu verbessern, insbesondere, wenn sie unter den begrenzten
Raumverhältnissen, wie sie beispielsweise in Kraftfahrzeugen,
insbesondere in Wohnmobilen oder in anderen Campingfahrzeugen sowie
in Wasserfahrzeugen bestehen, eingesetzt werden sollen.
-
Die
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brenner für ein Heizgerät
zur Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe
und eine Baugruppe aus einem Brenner und einem Wärmeübertra ger
zu schaffen, die eine hohe Effizienz aufweisen, eine lange Lebensdauer
besitzen und kostengünstig herstellbar sind.
-
Die
Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
-
Gemäß eines
ersten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch einen Brenner
für ein Heizgerät zur Verbrennung flüssiger
oder gasförmiger Brennstoffe mit einer Gemischbildungskammer,
in der aus dem Brennstoff ein brennbares Gasgemisch erzeugbar ist,
und einem in einer Strömungsrichtung des brennbaren Gasgemisches
stromabwärts der Gemischbildungskammer angeordneten zylindrischen
Flammrohr, das eine Brennkammer ausbildet, wobei das Flammrohr einen
sich in Richtung einer Längsachse erstreckenden Mantel
aufweist und auf einer der Gemischbildungskammer abgewandten Stirnseite
verschlossen ist, wobei der Mantel mehrere über den Umfang
des Mantels und in axialer Richtung verteilt angeordnete Austrittsöffnungen
aufweist, durch die ein Verbrennungsgas aus der Brennkammer des
Flammrohrs abführbar ist.
-
Die
Ausbildung von mehreren über den Umfang des Mantels und
in axialer Richtung verteilten Austrittsöffnungen ermöglicht
es, einen gleichmäßigen Wärmeaustrag
aus der Brennkammer über den Mantel des Flammrohrs zu erreichen.
Die Beaufschlagung von Bauteilen des Brenners mit Verbrennungsgasen
sehr hoher Temperatur kann so gering gehalten werden. Damit kann
sichergestellt werden, dass der Brenner und damit das gesamte Heizgerät zur
Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe
gleichmäßig mit Wärme belastet wird,
so dass unter den beengten Raumverhältnissen, wie sie insbesondere
in Kraftfahrzeu gen auftreten können, auf zusätzliche
Sicherungsmaßnahmen verzichtet werden kann.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Flammrohr
auf der der Gemischbildungskammer abgewandten Stirnseite durch einen
Deckel verschlossen.
-
Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung nimmt
die Dichte der Austrittsöffnungen bezogen auf die Fläche
des Mantels in axialer Richtung von der Gemischbildungskammer zu
dem Deckel hin zu. Damit kann ein weitgehend konstanter Wärmeaustrag
aus der Brennkammer über den Mantel des Flammrohrs in axialer
Richtung ermöglicht werden. Damit ist ein weitgehend konstantes
Temperaturprofil des aus dem Flammrohr austretenden Verbrennungsgases
ermöglicht.
-
In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind die Austrittsöffnungen in einem Mantelabschnitt
des Flammrohrs ausgebildet, der sich mindestes über die
0,5-fache Länge des Mantels erstreckt. Damit ist eine gute
Verteilung des Wärmeaustrags aus der Brennkammer ermöglicht.
-
Vorteilhaft
ist, wenn die Austrittsöffnungen auf Umfangslinien der
Mantelfläche angeordnet sind, und die jeweils auf einer
der Umfangslinien angeordneten Austrittsöffnungen axialsymmetrisch
verteilt angeordnet sind. Dies macht es möglich, die Wärme gleichmäßig über
den Umfang des Flammrohrs aus der Brennkammer auszubringen.
-
Besonders
bevorzugt ist, wenn die auf jeweils zwei der benachbarten Umfangslinien
der Mantelfläche angeordneten Austrittsöffnungen
in Umfangsrichtung versetzt zueinander ange ordnet sind. Damit ist
eine gleichmäßige Wärmeausbringung aus der
Brennkammer sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung
des Flammrohrs ermöglicht.
-
In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung weist das Flammrohr im Bereich der Austrittsöffnungen
Leitelemente auf, mittels der die Strömung des Brenngases
aus der Brennkammer des Flammrohrs beeinflussbar ist. Damit kann
die Strömungsrichtung des Brenngases außerhalb
des Flammrohrs so beeinflusst werden, dass die Wärmeenergie
gut durch eine Verbrauchsvorrichtung, wie beispielsweise ein Heizungssystem
oder eine Warmwasseranlage, genutzt werden.
-
Gemäß eines
zweiten Aspekts weist die Erfindung auf eine Baugruppe aus einem
Brenner für ein Heizgerät und einen rohrförmigen
Wärmeübertrager, wobei das Flammrohr innerhalb
des Wärmeübertragers angeordnet ist, und der rohrförmige
Wärmeübertrager Rippen aufweist, die in Richtung
zu dem Flammrohr hin ausgebildet sind und die in Bezug auf die Austrittsöffnung
so angeordnet sind, dass jeweils eine der Austrittsöffnungen
zwischen zwei der Rippen angeordnet ist. Damit kann der Druckverlust des
Verbrennungsgases nach dem Durchtritt durch die Austrittsöffnungen
des Mantels des Flammrohrs gering gehalten werden. Darüber
hinaus kann so vermieden werden, dass die Rippen direkt mit Verbrennungsgas
beaufschlagt werden. Es ist so ein langsameres Kühlen des
Verbrennungsgases durch die Rippen des Wärmeübertragers
bei gleichzeitig gutem Wärmeübergang vom Verbrennungsgas
auf die Rippen möglich.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnung
erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
schematische Ansicht einer Baugruppe aus einem Brenner für
ein Heizgerät und einem Wärmeübertrager
in einem Längsschnitt,
-
2 eine
perspektivische Ansicht eines Flammrohrs des Brenners für
ein Heizgerät,
-
2A eine
Schnittansicht des Flammrohrs entlang der Linie IIA-IIA' der 2 und
eine Teilansicht des Flammrohrs in einer ersten Ausführungsform,
-
2B eine
Schnittansicht des Flammrohrs entlang der Linie IIB-IIB' der 2A in
einer ersten Ausführungsform,
-
2C eine
Schnittansicht des Flammrohrs in einer weiteren Ausführungsform,
-
2D eine
Schnittansicht des Flammrohrs entlang der Linie und eine Teilansicht
des Flammrohrs in einer weiteren Ausführungsform,
-
2E eine
Schnittansicht des Flammrohrs in einer weiteren Ausführungsform,
-
2F eine
Schnittansicht des Flammrohrs entlang der Linie III-III' der 1,
-
2G eine
Teilansicht des Flammrohrs in einer weiteren Ausführungsform,
und
-
3 einen
Querschnitt durch die Baugruppe aus einem Brenner für ein
Heizgerät und einem Wärmeübertrager entlang
der Linie III-III' der 1.
-
Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend
mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
1 zeigt
einen Brenner 10 für ein Heizgerät, insbesondere
für mobile Anwendungen in einem Kraftfahrzeug, mit einer
Gemischbildungskammer 16, in der ein Brennluftkanal 15 ausgebildet
ist. Die Gemischbildungskammer 16 hat mehrere Brennlufteintrittsöffnungen 11.
In dem Brennluftkanal 15 ist ein Brennluftventilator 12 angeordnet,
mittels welchem dem Brennluftkanal 15 eine Brennluft 13 zugeführt werden
kann. Der Brenner 10 weist weiter eine Brennstoffzuführeinrichtung 14 auf,
mittels der ein flüssiger oder gasförmiger Brennstoff
in die Gemischbildungskammer 16 eingebracht werden kann.
In der Gemischbildungskammer 16 kann aus der Brennluft 13 und
dem flüssigen oder gasförmigen Brennstoff ein
brennbares Gasgemisch erzeugt werden.
-
In
einer Strömungsrichtung S des brennbaren Gasgemisches stromabwärts
der Gemischbildungskammer 16 ist ein zylindrisches Flammrohr 22 angeordnet,
das in seinem Inneren eine Brennkammer 34 ausbildet. Durch
Verbrennung des brennbaren Gasgemisches wird ein Verbrennungsgas 20 erzeugt.
Das Flammrohr 22 erstreckt sich in Richtung einer Längsachse
A und hat auf einer der Gemischbildungskammer 16 abgewanden
Stirnseite einen Deckel 28 und einen sich in Richtung der
Längsachse A erstreckenden Mantel 30. Der Mantel 30 des Flammrohrs 22 hat
eine Länge L. Auf einer Vielzahl von Umfangslinien 32a–32m,
wie sie in 2 dargestellt sind, weist der
Mantel 30 mehrere über den Umfang des Mantels 30 und
in axialer Richtung verteilt angeordnete Austrittsöffnungen 31 auf.
Durch die Austrittsöffnungen 31 des Flammrohrs 22 kann
das Verbrennungsgas 20 aus der Brennkammer 34 des Flammrohrs 22 austreten,
was durch eine Vielzahl von Pfeilen in 1 schematisch
dargestellt ist. Die Zahl der Umfangslinien 32a–32m und
damit der Austrittsöffnungen 31 kann entsprechend
den Anforderungen an die Menge und Verteilung des aus der Brennkammer 34 des
Flammrohrs 22 austretenden Verbrennungsgases 20 beliebig
gewählt werden. Die Anzahl und die Größe
der Austrittsöffnungen 31 sind so bemessen, dass
der Druckabfall über die Austrittsöffnungen 31 den
Erfordernissen des Betriebs des Brenners 10 angepasst ist.
-
Die
Austrittsöffnungen 31 sind alle auf einem Mantelabschnitt 38 des
Flammrohrs 22 angeordnet. Der Mantelabschnitt 38 des
Flammrohrs 22 hat vorzugsweise eine Länge, die
mindestens die Hälfte der Länge L des Mantels 30 des
Flammrohrs 22 ist. Damit ist einerseits eine gute Verteilung
des Wärmeaustrags aus der Brennkammer 34 ermöglicht,
andererseits kann zwischen dem Mantelabschnitt 38 des Flammrohrs 22 mit
Austrittsöffnungen 31 und der Gemischbildungskammer 16 ein
Abstand D eingehalten werden, der eine ausreichende Ausbrandlänge
für das Verbrennungsgas 20 ermöglicht.
-
Wie
in den 2A bis 2G gezeigt,
hat das Flammrohr 22 im Bereich der Austrittsöffnungen 31 Leitelemente 36.
Die Leitelemente 36 werden vorzugsweise durch Stanzen oder
Prägen des Flammrohrs 22 hergestellt. Durch die
Gestaltung der Leitelemente 36 kann sowohl die Stärke
der Strömung des Verbrennungsgases 20 durch die
einzelnen Austrittsöffnungen 31 als auch die Ausströmrichtung
des ausströmenden Verbrennungsgases 20 beeinflusst
werden.
-
2A und 2B zeigen
eines der Leitelemente 36 mit der Austrittsöffnung 31,
das durch Einprägen des Mantels 30 des Flammrohrs 22 ausgebildet
ist, wobei das Profil des Leitelements 36 U-förmig
ist (2B). In einer alternativen Ausführungsform
ist das Profil des Leitelements 36 V-förmig (2C).
-
2D zeigt
eine nach außen gerichtete Prägung des Flammrohrs 22 mit
Ausbildung des Leitelements 36 und der Austrittsöffnung 31 in
dem Mantel 30 des Flammrohrs 22. Das Profil des
Leitelements 36 kann auch hier U-förmig oder V-förmig
sein. Die nach außen gerichtete Prägung des Flammrohrs 22 kann
eine axiale Ausströmrichtung der Verbrennungsgase 20 in
Richtung auf den Wärmeübertrager 40 hin
bewirken.
-
2E zeigt
durch Ausstanzen ausgebildete Leitelemente 36 mit den dazugehörigen
Austrittsöffnungen 31. Das Ausstanzen kann bezüglich
des Flammrohrs 22 nach innen oder nach außen erfolgen.
Die durch Ausstanzen ausgebildeten Leitelemente 36 ermöglichen
ein Ausströmen des Verbrennungsgases 20 in radialer
Richtung hin zu dem Wärmeübertrager 40.
-
Die 2F und 2G zeigen
Einprägungen des Flammrohrs 22, die in Umfangsrichtung
des Mantels 30 des Flammrohrs 22 ausgebildet sind.
Das Profil dieser Leitelemente 36 kann entweder U-förmig oder
V-förmig sein. Durch die Ausbildung der Leitelemente 36 in
Umfangsrichtung des Mantels 30 des Flammrohrs 22 kann
das Verbrennungsgas 20 in einer tangentialen Richtung zum
Mantel 30 des Flammrohrs 22 austreten.
-
Wie
besonders gut in 2 zusehen ist, nimmt der Abstand
zwischen den Umfangslinien 32a–32m in
axialer Richtung von der Gemischbildungskammer 16 zu dem
Deckel 28 des Flammrohrs 22, also in Strömungsrichtung
S des Verbrennungsgases 20, ab. Dies bedeutet, dass die
flächenspezifische Dichte der Austrittsöffnungen 31 bezogen
auf die Fläche des Mantels 30 in axialer Richtung
von der Gemischbildungskammer 16 zu dem Deckel 28 hin zunimmt.
Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass die Masse an Verbrennungsgas 20,
das durch die Austrittsöffnungen 21 nahe der Gemischbildungskammer 16 (etwa
im Bereich der Umfangslinien 32l, 32m) aus der
Brennkammer 34 austritt, kleiner ist als die Masse an Verbrennungsgas 20,
das durch die Austrittsöffnungen 31 des Flammrohrs 22 nahe
dem Deckel 28 (etwa im Bereich der Umfangslinien 32a–32c)
aus der Brennkammer 34 austritt. Da umgekehrt die Temperatur
des Verbrennungsgases 20 nahe der Gemischbildungskammer 16 höher
ist als die Temperatur des Verbrennungsgases 20 nahe des Deckels 28 des
Flammrohrs 22, kann so ein gleichmäßiger
Wärmeenergieaustrag aus dem Flammrohr 22 in axialer
Richtung erreicht werden.
-
Wie
insbesondere in 2 zusehen ist, sind die auf
jeweils zwei der benachbarten Umfangslinien 32a–32m der
Mantelfläche des Flammrohrs 22 angeordneten Austrittsöffnungen 31 in
Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet. Damit ist insbesondere
ein gleichmäßiger Wärmeaustrag aus der Brennkammer 34 in
Umfangsrichtung des Flammrohrs 22 ermöglicht.
Dies wird insbesondere noch dadurch unterstützt, dass die
jeweils auf einer der Umfangslinien 32a–32m angeordneten
Austrittsöffnungen 31 axialsymmetrisch verteilt
sind.
-
Neben
dem Brenner 10 für das Heizgerät zeigt 1 einen
rohrförmigen Wärmeübertrager 40. Der
Brenner 10 für das Heizgerät und der
rohrförmige Wärmeübertrager 40 bilden
zusammen eine Baugruppe. Das Flammrohr 22 ist in dem rohrförmigen Wär meübertrager 40 angeordnet
und liegt bevorzugt dicht an dem rohrförmigen Wärmeübertrager 40 an.
-
Wie
in 3 dargestellt, hat der Wärmeübertrager 40 einen
rohrförmigen Wärmeübertragerkorpus 44,
an dem lamellenförmige Rippen 42 angeordnet sind.
Der Wärmeübertrager 40 besteht vorzugsweise
aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. In 2 sind
schematisch einige der Rippen 42 gezeigt. Die Rippen 42 sind
so angeordnet, dass jede der Austrittsöffnungen 31 zwischen
zwei Rippen 42 des Wärmeübertragers 40 angeordnet
ist. Damit kann zum einen für den Strom des Verbrennungsgases 20 der
Druckabfall über die Austrittsöffnungen 31 gering
gehalten werden, zum anderen kann ein starkes Abkühlen
des Verbrennungsgases 20 an den Rippen 42 und
damit eine negative Veränderung der chemischen Zusammensetzung
des Verbrennungsgases 20 vermieden werden.
-
Über
eine Heizmediumseintrittsöffnung 45 kann ein Heizmedium 46 über
den Wärmeübertrager 40 mit den Rippen 42 außerhalb
des Wärmeübertragerkorpus 44 zu einer
Heizmediumsaustrittsöffnung 47 gelangen. Das Heizmedium 46 ist
vorzugsweise Luft, kann jedoch auch Wasser, gegebenenfalls in Kombination
mit einem Frostschutzmittel, sein. Das Heizmedium 46 tritt
an der Heizmediumsaustrittsöffnung 47 aus dem
Wärmeübertrager 40 aus, um von dort zu
einem Verbraucher zu gelangen.
-
Das
Verbrennungsgas 20 wird über eine oder mehrere
Abgasaustrittsöffnungen 48 als Abgas 50 aus
dem Brenner 10 abgeführt.
-
Im
Folgenden soll die Funktion der Baugruppe aus einem Brenner 10 für
ein Heizgerät und einem rohrförmigen Wärmeübertrager 40 im
Detail dargestellt werden:
Brennluft 13 wird über
die Brennlufteintrittsöffnungen 11 mittels des
Brennluftventilators 12 in den Brennluftkanal 15 der
Gemischbildungskammer 16 gesaugt. Über die Brennstoffzuführeinrichtung 14 wird vorzugsweise
flüssiger Brennstoff, wie er auch zum Antrieb des Fahrzeugs
eingesetzt wird, der Gemischbildungskammer 16 zugeführt.
Anstelle des flüssigen Brennstoffs kann jedoch auch gasförmiger
Brennstoff eingesetzt werden. Der Brennstoff wird verteilt, mit der
Brennluft 13 gemischt und das brennbare Gasgemisch verbrannt.
Das entstehende Verbrennungsgas 20 gelangt nun in das Flammrohr 22,
wobei es an seiner axialen Ausbreitung in Richtung der Längsachse A
des Flammrohrs 22 über das Flammrohr 22 hinaus durch
den Deckel 28 gehindert wird. Das Verbrennungsgas 20 gelangt
damit über die Austrittsöffnungen 31 des
Flammrohrs 22 zu dem Wärmeübertrager 40.
Das Verbrennungsgas 20 strömt schließlich
innerhalb des Wärmeübertragerkorpus 44 zwischen den
Rippen 42 entlang zu der Abgasaustrittsöffnung 48,
wo es als Abgas 50 austritt.
-
An
der Heizmediumseintrittsöffnung tritt ein Heizmedium 46,
vorzugsweise Luft, außerhalb des Wärmeübertragerkorpus 44 in
den Wärmeübertrager 40 ein und strömt,
bevorzugt im Gegenstrom zu dem innerhalb des Wärmeübertragerkorpus 44 strömenden
Verbrennungsgas 20, entlang der Rippen 42 bis zur
Heizmediumsaustrittsöffnung 47 aus. Das Heizmedium 46 kann
dann durch ein nicht weiter dargestelltes Heizmediumleitsystem einem
Wärmeverbraucher, vorzugsweise einer Luftheizung beziehungsweise
einer Wasserheizung eines Campingfahrzeugs, eines Wohnmobils oder
eines Wasserfahrzeugs, zugeführt werden. Anstelle des hier
dargestellten Gegenstrombetriebs kann das Heizmedium 46 auch
im Gleichstrom mit dem innerhalb des Wärmeübertragerkorpus 44 strömenden
Verbrennungsgas 20 betrieben werden.
-
Ist
das Heizungssystem außer Betrieb, so kann die Wärmeenergie
des Brenners 10 über die Rippen 42 an
einen weiteren Verbraucher, wie zum Beispiel an einen hier nicht
dargestellten Warmwasserspeicher abgegeben werden. Dies bedeutet,
dass auch bei fehlender Durchströmung des Wärmeübertragers 40 durch
das Heizmedium 46 Energie an den weiteren Verbraucher abgegeben
werden kann. Wegen des Austretens des Verbrennungsgases 20 durch
die Austrittsöffnungen 31 im Mantel 30 des Flammrohrs 22 über
einen großen Teil der Länge L und den gesamten
Umfang des Flammrohrs 22 können auch in diesem
Fall lokale Überhitzungen am Flammrohr 22 vermieden
werden. Die gleichmäßige Wärmeverteilung
ist dabei sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung
des Flammrohrs 22 ermöglicht. Damit ist es möglich,
das Flammrohr 22 wirksam vor einer zu hohen lokalen Wärmebelastung zu
schützen, und zwar insbesondere auch dann, wenn kein Heizmedium
durch den Wärmeübertrager 40 strömt
und die Energie des Flammrohrs nur über die Rippen 42 nach
außen abgegeben werden kann.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-