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Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine solche Brenneranordnung ist beispielsweise aus der
DE 43 22 109 C2 bekannt. Dabei ist in einem zylindrischen Brennergehäuse ein poröser Körper angeordnet. Der poröse Körper weist eine offene Porosität auf. Eine mittlere Porengröße ist so gewählt, dass innerhalb des Porenkörpers eine oberflächenstabilisierte Verbrennung eines Brennstoffs erfolgen kann. Derartige Volumenbrenner zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad, eine effiziente und homogene Verbrennung sowie eine hohe Leistungsdichte aus. Abgesehen davon kann eine damit erzeugte Leistung in einem weiten Bereich von beispielsweise 1:10 moduliert werden.
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Die bekannte Brenneranordnung kann mit einem Brennstoff betrieben werden, welcher beispielsweise aus einem Gemisch aus Luft und brennbarem Gas oder brennbarem Flüssigbrennstoff besteht. Sie können insbesondere für Heizzwecke, insbesondere auch als Wärmestrahler, eingesetzt werden.
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Bei Anwendungen unter Verwendung der herkömmlichen Brenneranordnung bleibt ein Teil der erzeugten Wärme üblicherweise ungenutzt und geht als Abwärme verloren. Es besteht das Bedürfnis, die Effizienz der herkömmlichen Brenneranordnung weiter zu verbessern.
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Die
AT 505 829 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie. Die Vorrichtung besteht aus einer Wärmequelle zur Bereitstellung und Abgabe von Wärmeenergie, einem Strahlungswärmeerzeuger, welcher die Wärmeenergie aufnimmt und als Wärmestrahlung abgibt, sowie aus einem Absorber für die vom Strahlungswärmeerzeuger emittierte Wärmestrahlung. Der Absorber wandelt die Wärmestrahlung in einen hochfrequenten Wechselstrom. Als Wärmequelle wird ein Brenner zur flammenlosen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen oder Wasserstoff verwendet.
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Die
WO 2007/133069 A1 offenbart eine Verbrennung nach dem Prinzip der ”kalten Flamme” in einem Porenkörper.
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Aus
DE 298 10 836 U1 ist eine Vorrichtung zur Stromerzeugung bekannt, welche mit einem herkömmlichen Gasoberflächenbrenner betrieben wird.
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Die
DE 43 29 194 A1 beschreibt eine Gas/Brenner-Kombination, bei der ein Strahlungshaupt- und -zündbrenner dieselbe perforierte Keramikplatte als Flammenaustrittsfläche nutzen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere eine Brenneranordnung angegeben werden, mit der mit verbesserter Effizienz die damit erzeugte Wärme ausgenutzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 12.
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Nach Maßgabe der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zumindest ein mit dem Volumenbrenner in thermischer Wirkverbindung angeordnetes thermoelektrisches Element zur Herstellung elektrischer Energie vorgesehen ist. – Damit kann mit überraschend hoher Effizienz elektrischer Strom hergestellt werden. Messungen am erfindungsgemäß vorgeschlagenen Volumenbrenner haben überraschenderweise ergeben, dass dessen Temperatur über einen weiten Leistungsbereich hinweg lediglich in einem relativ engen Bereich sich ändert. infolgedessen kann ein thermoelektrisches Element durch die Wirkung eines solchen Volumenbrenners dauerhaft im Bereich einer Temperatur gehalten werden, welche mit hoher Effizienz die Herstellung elektrischer Energie ermöglicht. Dabei kann die Menge der gewonnenen elektrischen Energie – unabhängig von der jeweiligen Leistung des Volumenbrenners – in einem relativ engen Bereich konstant gehalten werden. Die vorgeschlagene Brenneranordnung eignet sich beispielsweise für Gasthermen, bei denen der Volumenbrenner im ”Stand-by”-Betrieb mit einer geringen Leistung betrieben und lediglich bedarfsweise eine hohe Leistung liefert.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter einem ”thermoelektrischen Element” insbesondere ein ”Peltier-Element” verstanden. Bei einem Peltier-Effekt werden zwei metallische Leiter mit unterschiedlichen elektronischen Wärmekapazitäten in Kontakt gebracht. Wenn die beiden Leiter durch Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr auf einer unterschiedlichen Temperatur gehalten werden, führt dies zu einem Stromfluss in den Leitern. Man bezeichnet diesen Effekt auch als ”Seebeck-Effekt”.
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Unter dem Begriff ”thermische Wirkverbindung” wird im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden, dass das thermoelektrische Element relativ zum Volumenbrenner so angeordnet ist, dass die im thermoelektrischen Element vorgesehenen unterschiedlichen metallischen Leiter auf einer unterschiedlichen Temperatur gehalten werden können und damit die Erzeugung elektrischer Energie möglich ist.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das thermoelektrische Element an einer dem Brennraum abgewandten Außenwand des Brennergehäuses vorgesehen. Das Brennergehäuse kann rohrartig, insbesondere rund, oval oder auch rechteckig ausgestaltet sein. Zweckmäßigerweise ist das Brennergehäuse aus einem Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit gebildet. Damit kann relativ viel Wärme über das Brennergehäuse auf das daran vorgesehene thermoelektrische Element ausgekoppelt werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung ist zwischen der Außenwand und dem thermoelektrischen Element eine wärmedämmende Schicht vorgesehen. Die wärmedämmende Schicht kann aus einem herkömmlichen wärmedämmenden Material, beispielsweise einer wärmedämmenden Fasermatte, Faserplatte oder dgl., gebildet sein. Mit der vorgeschlagenen wärmedämmenden Schicht, welche eine Wärmeleitfähigkeit von beispielsweise 5 bis 15 W/mK, vorzugsweise 10 W/mK, aufweisen kann, kann bei Wahl einer geeigneten Dicke die auf das thermoelektrische Element abfließende Wärme eingestellt werden. Dabei wird der Wärmeabfluss vorteilhafterweise so eingestellt, dass unter üblichen Betriebsbedingungen des Volumenbrenners der Wirkungsgrad des thermoelektrischen Elements maximal ist. Das thermoelektrische Element kann z. B. in einem Temperaturbereich von 210° bis 250°C betrieben werden. Eine Dicke der wärmedämmenden Schicht kann beispielsweise 5 bis 20 mm, vorzugsweise 8 bis 12 mm, betragen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das thermoelektrische Element an einer der Außenwand abgewandten Seite mit einer Kühleinrichtung in thermischer Wirkverbindung. Mit der Kühleinrichtung wird eine zur Erzeugung eines thermoelektrischen Stroms erforderliche Temperaturdifferenz zwischen den beiden das Thermoelement bildenden Leitern kontinuierlich aufrechterhalten. Es kann damit eine kontinuierliche Erzeugung eines thermoelektrischen Stroms gewährleistet werden. Die Temperaturdifferenz beträgt zweckmäßigerweise 180° bis 220°C.
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Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kühleinrichtung ein mit eine Fluid durchströmbarer Wärmetauscher. Bei dem Fluid kann es sich um Umgebungsluft oder aber auch um eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, Öl oder dgl., handeln. Sofern der Wärmetauscher beispielsweise mit Wasser durchströmt wird, kann das damit erwärmte Wasser zu Heizzwecken verwendet werden. Gleichzeitig dient das den Wärmetauscher durchströmende Wasser zur Kühlung des thermoelektrischen Elements.
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Nach einer konstruktiv besonders einfachen Ausgestaltung ist das thermoelektrische Element in Form eines mit einem Fluid durchströmbaren Wärmetauschers ausgebildet. D. h. in diesem Fall ist der Wärmetauscher aus zwei unterschiedlichen metallischen Leitern ausgebildet, so dass damit thermoelektrischer Strom erzeugt werden kann. – Nach einer weiteren konstruktiven Vereinfachung kann es auch sein, dass der Wärmetauscher zumindest abschnittsweise das Brennergehäuse bildet. Z. B. kann in einem rohrförmig ausgestalteten Wärmetauscher, welcher gleichzeitig ein thermoelektrisches Element bildet, ein poröser Körper aufgenommen sein, welcher einen Brennraum zur Verbrennung eines Brennstoffs bildet.
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Vorteilhafterweise ist der Porenkörper mittels einer thermisch isolierenden Fasermatte klemmend im Brennergehäuse gehalten. Das ermöglicht eine besonders einfache Montage des Porenkörpers. Gleichzeitig wird durch die thermische Isolationswirkung der Fasermatte ein unerwünscht hoher Wärmeabfluss auf das Brennergehäuse vermieden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann es auch sein, dass das thermoelektrische Element im Brennraum vorgesehen ist. Beispielsweise kann der Porenkörper aus einer unteren und einer oberen Lage gebildet sein. Die beiden Lagen können aus unterschiedlichen metallischen Leitern hergestellt sein. Die metallischen Leiter können dabei in Form einer metallischen Wolle, eines Geflechts, eines Gewirks oder dgl. vorliegen. Über eine geeignete Einstellung der Porosität der beiden Lagen kann erreicht werden, dass eine Verbrennung, beispielsweise nur in der oberen Lage erfolgt. Durch die sich dann einstellende Temperaturdifferenz zwischen den beiden Lagen kann wiederum ein thermoelektrischer Strom erzeugt werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung kann es auch sein, dass das thermoelektrische Element an einer dem Brennraum zugewandten Innenwand des Brennergehäuses vorgesehen ist. In diesem Fall kann eine mittlere Porengröße des Porenkörpers in Richtung der Innenwand des Brennergehäuses zunehmen. Damit kann im Bereich der Innenwand eine erhöhte konvektive Wärmeübertragung und ein höherer Wärmestrahlungseintrag auf das thermoelektrische Element erreicht werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann es auch sein, dass das thermoelektrische Element stromabwärts der Auslassöffnung in einem Abgasweg des Volumenbrenners angeordnet ist. Dabei wird der eine Leiter des thermoelektrischen Elements durch die vorbeiströmenden Abgase aufgeheizt. Der andere Leiter ist zweckmäßigerweise so angeordnet, dass er auf einer niedrigen Temperatur als der eine Leiter gehalten werden kann.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht durch eine erste Brenneranordnung,
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2 eine Schnittansicht durch eine zweite Brenneranordnung,
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3 eine Schnittansicht durch eine dritte Brenneranordnung,
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4 eine Schnittansicht durch eine vierte Brenneranordnung,
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5 eine teilweise aufgebrochene perspektivische Ansicht durch eine fünfte Brenneranordnung,
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6 eine schematische Teilschnittansicht durch eine Variante gemäß 5 und
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7 eine schematische Teilschnittansicht durch eine weitere Variante gemäß 5.
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Bei der in 1 gezeigten ersten Brenneranordnung sind zwei Volumenbrenner V1 und V2 vorgesehen. Jeder der Volumenbrenner V1, V2 weist ein beispielsweise aus Metall hergestelltes Brennergehäuse 1a, 1b auf, welches rechteckig oder auch zylindrisch ausgebildet sein kann. Mit dem Bezugszeichen 2a, 2b sind jeweils Porenkörper bezeichnet, die mittels einer wärmedämmenden elastischen Fasermatte 3a, 3b klemmend im Brennergehäuse 1a, 1b gehalten sind. Ein Durchmesser der Porenkörper 2a, 2b kann beispielsweise 10 bis 100 mm und deren Höhe 10 bis 20 mm betragen. Die Porenkörper 2a, 2b können aus einem keramischen Schaum, einer aus keramischen Kugel hergestellten Schüttung, einer Metallwolle, einem Metallvlies, einem Metallgewirk oder dgl. hergestellt sein. Mit dem Bezugszeichen 4a, 4b ist jeweils eine optional vorgesehene wärmedämmende Schicht bezeichnet, welche in Kontakt mit thermoelektrischen Elementen 5a, 5b ist. Eine dem Brennergehäuse 1a, 1b abgewandte Seite der thermoelektrischen Elemente 5a, 5b ist in Kontakt mit einem Kühlelement 6.
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Die Funktion der ersten Brenneranordnung ist wie folgt:
Ein aus brennbarem Gas und Luft hergestelltes Gemisch G gelangt über einen Einlass E1, E2 des Brennergehäuses 1a, 1b in den Porenkörper 2a, 2b. Das Gemisch G wird dort verbrannt. Dabei gebildetes Abgas A entweicht aus dem Brennergehäuse 1a, 1b über Auslässe AL1, AL2. Die durch die Verbrennung im porösen Körper 2a, 2b erzeugte Wärme wird auf einen ersten Leiter (hier nicht gezeigt) der thermoelektrischen Elemente 5a, 5b übertragen. Der erste Leiter ist über die optional vorgesehene Wärmedämmung 4a, 4b in Kontakt mit einer dem porösen Körper 2a, 2b abgewandten Außenseite des Brennergehäuses 1a, 1b. Ein zweiter Leiter (hier nicht gezeigt) der thermoelektrischen Elemente 5a, 5b ist in Kontakt mit dem Kühlelement 6. Wegen der an dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter anliegenden Temperaturdifferenz bildet sich in den thermoelektrischen Elementen 5a, 5b ein thermoelektrischer Strom aus, welcher über hier nicht näher gezeigte Stromleiter fließt.
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Mit dem Bezugszeichen 7a, 7b sind Ausgleichsschichten bezeichnet, welche optional zur Einstellung eines geeigneten Temperaturgradienten vorgesehen sein können. Durch die optional vorgesehenen wärmedämmenden Schichten 4a, 4b sowie die Ausgleichsschichten 7a, 7b kann eine zum Betrieb der thermoelektrischen Elemente 5a, 5b optimale Temperatur eingestellt werden.
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2 zeigt eine zweite Brenneranordnung. Die zweite Brenneranordnung unterscheidet sich von der in 1 gezeigten ersten Brenneranordnung dadurch, dass in den porösen Körpern 2a, 2b eine Porengröße zu einer Innenseite des Brennergehäuses 1a, 1b hin zunimmt. Damit kann eine erhöhte Wärmeübertragung mittels Konvektion und Strahlung auf das Brennergehäuse 1a, 1b erreicht werden. Die Wärmeauskopplung auf die thermoelektrischen Elemente 5a, 5b kann damit erhöht werden.
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Die in den 3 und 4 gezeigten dritten und vierten Brenneranordnungen sind ähnlich zur zweiten Brenneranordnung aufgebaut. Bei der dritten Brenneranordnung erstreckt sich das Brennergehäuse 1a, 1b an einer den thermoelektrischen Elementen 5a, 5b zugewandten Seite im Bereich der Auslässe AL1, AL2 über eine auslassseitige Oberfläche der Porenkörper 2a, 2b hinaus. Durch einen Überstand 8a, 8b des Brennergehäuses 1a, 1b wird das Brennergehäuse 1a, 1b in diesem Bereich zusätzlich durch Strahlung S aufgeheizt. Damit kann ein Wärmeeintrag auf die thermoelektrischen Elemente 5a, 5b weiter erhöht werden.
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4 zeigt eine vierte Brenneranordnung, welche ähnlich der dritten Brenneranordnung ausgestaltet ist. Dabei weist der Überstand 8a, 8b des Brennergehäuses 1a, 1b einen abgewinkelten Abschnitt auf, welcher in einen von den Auslässen AL1, AL2 austretenden Abgasstrom A ragt. Mit dieser Ausgestaltung gelingt es nochmals, den Wärmeeintragung vom Brennergehäuse 1a, 1b auf die thermoelektrischen Elemente 5a, 5b zu erhöhen.
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Bei der in 5 gezeigten fünften Brenneranordnung ist der Porenkörper 2 wiederum in einem Brennergehäuse 1 gehalten, welches hier in Form eines Metallrahmens ausgestaltet ist. Das Brennergehäuse 1 ist von einem Wärmetauscher 9 umgeben, welcher doppelwandig aufgebaut ist und mit einem Kühlfluid durchströmt werden kann. Der Wärmetauscher 9 ist aus einem ersten und einem zweiten metallischen Leiter (hier nicht gezeigt) aufgebaut und erfüllt damit gleichzeitig die Funktion eines thermoelektrischen Elements.
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Bei der in 6 gezeigten Variante ist an einer Außenseite eines Brennergehäuses 1 optional die wärmedämmende Schicht 4 vorgesehen, welche in Kontakt mit dem thermoelektrischen Element 5 ist. Mit dem Bezugszeichen 10 ist eine, beispielsweise aus einem Metall hergestellte, Wärmeausgleichsschicht bezeichnet, welche in Kontakt mit mit einem Kühlmittel durchflossenen Rohren 11 eines weiteren Wärmetauschers steht. Bei der in 6 gezeigten Variante weisen die Rohre 11 einen kreisförmigen Querschnitt, bei der in 7 gezeigten Variante weisen die Rohre 11 einen rechteckigen Querschnitt auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1a, 1b
- Brennergehäuse
- 2, 2a, 2b
- Porenkörper
- 3a, 3b
- elastische Fasermatte
- 4, 4a, 4b
- wärmedämmende Schicht
- 5a, 5b
- thermoelektrisches Element
- 6
- Kühlelement
- 7a, 7b
- Ausgleichsschicht
- 8a, 8b
- Überstand
- 9
- Wärmetauscher
- 10
- weitere Ausgleichsschicht
- 11
- Rohr
- A
- Abgas
- AL1, AL2
- Auslass
- E1, E2
- Einlass
- G
- Brenngas/Luft-Gemisch
- V1, V2
- Volumenbrenner
