DE102014224086A1

DE102014224086A1 - Brenner

Info

Publication number: DE102014224086A1
Application number: DE102014224086.7A
Authority: DE
Inventors: Kai Pecka
Original assignee: Vaillant GmbH
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2014-11-26
Publication date: 2016-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner (1) für ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit externer Verbrennung. Erfindungsgemäß ist das Luftkanalsystem (4) des Brenners in einem an die Brennkammer (2) angrenzenden Bereich als Venturidüse ausgeführt, die einen Teil des von der Brennkammer (2) in das Abgaskanalsystem (5) abströmenden Abgases angesaugt und in die Brennkammer (2) zurückführt. Dadurch werden die in Brenner (1) auftretenden Spitzentemperaturen reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner für ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit externer Verbrennung. Kraft-Wärme-Kopplungssysteme werden eingesetzt, um gleichzeitig Gebäude zu beheizen und Strom zu erzeugen. Sie können aus einer Wärmekraftmaschine aufgebaut sein, die einen Generator zur Erzeugung von Strom antreibt. Die Abwärme der Wärmekraftmaschine wird für Heizzwecke verwendet. Bei der Wärmekraftmaschine kann es sich um einen Verbrennungsmotor mit externer Verbrennung, beispielsweise einen Stirlingmotor, oder um einen thermoakustischen Generator handeln. In diesen Fällen weist die Wärmekraftmaschine eine Wärmesenke auf, die von einem Brennersystem zu beheizen ist. Dabei ist es energetisch vorteilhaft, wenn das Brennersystem in einem räumlich eng begrenzten Bereich eine möglichst hohe Temperatur erzeugt.
Für Kraft-Wärme-Kopplungssystem kommen als Brenner, die Bestandteil eines Brennersystems sind, vormischende Brenner oder Diffusionsbrenner in Frage. Diffusionsbrenner haben den Vorteil, dass die Restwärme im Abgas vollständig verwendet werden kann, um die Verbrennungsluft vorzuwärmen. Derartige Brenner sind als Rekuperationsbrenner bekannt. Das Vorwärmen des Verbrennungsluft-Brennstoffgemisches ist bei einem vormischenden Brenner nur sehr begrenzt möglich, da sich das Brennstoff-Luft-Gemisch ab der Zündtemperatur vorzeitig selbst entzünden würde.
Aus dem Stand der Technik sind Rekuperationsbrenner für die Beheizung von Öfen bekannt. Die Patentanmeldung DE 101 49 329 A1 offenbart einen Rekuperationsbrenner mit einer kompakten Brennkammer. Die für die Verbrennung benötigte Luft wird durch Rohre von einer Luftkammer zu dem Brennraum geführt. Dabei sind Kanäle, durch die die Luft geführt wird, so angeordnet, dass ein Wärmetauscher gebildet wird, der die Wärme von den Abgasen auf die Luft überträgt. Der Brennstoff wird von einer gegenüber Brennkammer vorgesehenen Brennstoffkammer durch Rohre, die koaxial innerhalb der Rohre für die Luft vorgesehen sind, der Brennkammer zugeführt.
In der Patentanmeldung AT A962-2013 wird ein besonders kompakter gattungsgemäßer Brenner beschrieben, der im wesentlichen eine zylindrische Bauform aufweist, wobei die Verbrennung im äußeren Bereich des Brennraums erfolgt und die Rückführung der Abgase zentral durch die Brennkammer erfolgt.
Ein Nachteil der gattungsgemäßen Brenner ist jedoch, dass sehr hohe Spitzentemperaturen im Brennraum auftreten können. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen Brenner, insbesondere einen Brenner mit zentraler Rückführung der Abgase so weiterzuentwickeln, dass die maximalen Temperaturen reduziert werden und gleichzeitig die vom Brenner auf die Wärmekraftmaschine übertragene Wärmemenge nicht verringert wird.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass innerhalb des Brenners das Abgas Luft zu gemischt wird und so ständig ein Abgasanteil innerhalb des Brenners zirkuliert. Dadurch wird der Massenstrom in der Brennkammer erhöht und zugleich die Temperatur gesenkt. Dadurch werden die hohen Spitzentemperaturen im Brennraum vermieden. Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Luftkanalsystem einen Venturibereich mit einem verminderten Querschnitt aufweist. Hierdurch wird eine Venturidüse gebildet. Der Unterdruckanschluss der so gebildete Venturidüse ist mit dem Abgaskanalsystem verbunden. Dadurch wird ein Teil des aus der Brennkammer aus strömenden Abgases angesaugt und der Verbrennungsluft zu gemischt. Bevorzugt grenzt dabei der Venturibereich unmittelbar an der Brennkammer an. Dadurch wird unmittelbar das Abgas beim Verlassen der Brennkammer wieder zurückgeführt. Besonders bevorzugt ist das Luftkanalsystem und das Abgaskanalsystem durch eine erste Trennwand voneinander getrennt. Dabei bildet die Trennwand einen Teil der Venturidüse. Eine Öffnung der Trennwand bildet den Unterdruckanschluss der Venturidüse.
In einer Weiterbildung der Erfindung umgibt das Luftkanalsystem konzentrisch das Abgassystem. Dabei ist als Konsequenz die Venturidüse als ringförmige Düse ausgeführt.
In einer Ausführungsvariante ist ein Wärmetauscher vorgesehen, in dem die Wärme des Abgases an die zugeführte Luft, die als Verbrennungsluft genutzt wird, übergeben wird. Der Wärmetauscher ist in Strömungsrichtung des Abgases stromab der Venturidüse und in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft stromauf des Venturibereichs angeordnet.
Die Brennstoffzufuhr erfolgt in einer Weiterbildung über eine Brennstoffkammer, die den Wärmetauscher zumindest teilweise umgibt. Dadurch wird der Wärmetauscher gegenüber der Umgebung thermisch isoliert. Die Brennstoffkammer kann in einer Ausführungsform des an die Brennkammer angrenzen, wobei Öffnungen vorgesehen sind, durch die das Brenngas in die Brennkammer ein strömen kann. Dabei sind die Öffnungen im Außenbereich der Brennkammer angeordnet, so dass die Flammenbildung von außen nach innen erfolgt. Bevorzugt bildet die zweite Trennwand zwischen Brennstoffkammer und Luftkanalsystem ebenfalls einen Teil der Venturidüse.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung umgibt das Abgaskanalsystem das Luftkanalsystem im Venturibereich, so dass auch hier durch die Öffnung der Venturidüse Abgas der Luft beigemischt und zurückgeführt wird. In einer Weiterbildung ist das Brennstoffkanalsystem innerhalb des Luftkanalsystems geführt. In einer anderen Weiterbildung ist das Brennstoffkanalsystem außerhalb des Wärmetauschers geführt.
Die Erfindung wird nun anhand der 1 und 2 detailliert erläutert.
Die 1 zeigt im Schnitt einen Teil des erfindungsgemäßen Brenners 1. Dabei sind die für die Erfindung wesentlichen Teile dargestellt. Die Anschlüsse für Brennstoff, Luft und Abgas wurden aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt und sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die Ströme des Brennstoffs, der Luft und des Abgases sind als gestrichelte Pfeile dargestellt.
Der in dem Ausführungsbeispiel gezeigte erfindungsgemäße Brenner ist zylinderförmig aufgebaut. Über einen hier nicht dargestellten Luftanschluss wird Verbrennungsluft über das Luftkanalsystem 4 zugeführt. Dabei durchströmt die Luft den Wärmetauscher 7. In diesem Wärmetauscher wird Wärme vom durch das Abgaskanalsystem 5 abströmenden Abgas, das durch den Wärmetauscher 7 geleitet wird, übergeben. Anschließend wird das Abgas über einen hier nicht dargestellten Abgasanschluss abgeführt. Die über das Luftkanalsystem 4 zugeführte Verbrennungsluft durchströmt hinter dem Wärmetauscher 7 einen Venturi-Bereich 9, der hier als ringförmige Venturidüse ausgeführt ist. Die Venturidüse wird durch die erste Trennwand 8 und die zweite Trennwand 10 gebildet. Die erste Trennwand 8 trennt das Luftkanalsystem 4 vom Abgaskanalsystem 5. Die zweite Trennwand 10 trennt das Luftkanalsystem 4 vom Brennstoffkanalsystem 3. An der engsten Stelle der Venturidüse, in der die höchste Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft vorliegt, sind eine oder mehrere Öffnungen 11 vorgesehen. Aufgrund des niedrigen Drucks an dieser Stelle strömt ein Teil des durch das Abgassystem 5 abströmende Abgases durch die Öffnungen 11 in das Luftkanalsystem 4 und wird so mit der Verbrennungsluft in den Brennraum 2 zurückgeführt. Nach dem Austritt aus der Venturidüse strömt die Verbrennungsluft direkt in den Brennraum 2.
Über ein Brennstoffkanalsystem 3 wird durch einen hier nicht dargestellten Brennstoffanschluss Brennstoff zugeführt. Das Brennstoff Brennersystem 3 umfasst eine Brennstoffkammer 12, die ringspaltförmig den Wärmetauscher 7 umgibt. Dadurch wird einerseits der Wärmetauscher 7 gegenüber der Umgebung thermisch isoliert. Andererseits wird die Verlustwärme des Wärmetauschers 7 über den Brennstoff in den Brenner 1 zurückgeführt. Als Brennstoff kommt beispielsweise Brenngas zum Einsatz. Im Bereich oberhalb des Wärmetauschers 7 weitet sich die das Brennstoffkanalsystem 3 zu auf, das die Trennwand zwischen dem Brennstoff Brennersystem 3 und dem Luftkanalsystem 4 die äußere Wandung der ringförmigen Venturidüse bildet. Die innere Wandlung der ringförmigen Venturidüse wird durch die erste Trennwand 8 gebildet.
Zwischen den Brennstoffkanalsystem 3 und der Brennkammer 2 weist die zweite Trennwand 10 mehrere als Brennstoffzufuhr 13 dienende Öffnungen auf. Diese sind im Außenbereich der Brennkammer 2 angeordnet, so dass die Flammenbildung von außen nach innen erfolgt und das Abgas in der Mitte des zylinderförmigen Brenners 1 durch das Abgaskanalsystem 5 abgeführt wird.
Die 2 zeigt eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nachbrenners. Im Unterschied zu 1 sind hier Abgaskanalsystem 5, Luftkanalsystem 4 und Brennstoffkanalsystem 3 konzentrisch andersherum angeordnet. Im wesentlichen sind dazu das Luftkanalsystem 4 und Abgaskanalsystem 5 gegenüber 1 miteinander vertauscht. Das Brennstoffkanalsystem 3 ist nun nicht mehr im äußeren Bereich des Brenners 1 angeordnet, sondern wird durch ein Rohr konzentrisch innerhalb des Luftkanalsystems 4 geführt. Der Hohlraum, der sich übergangslos unterhalb der Brennkammer 2 anschließt und an den Wärmetauscher 7 angrenzt, ist bereits dem Abgaskanalsystem 5 zuzuordnen. In diesem Bereich befindet sich im Betrieb bereits verbranntes Abgas, das durch die Öffnung 11 im Venturi Bereich 9 des Luftkanalsystems aufgrund des Venturieffekts angesaugt wird und zusammen mit der Luft in die Brennkammer 2 zurückgeführt wird.
Erfindungsgemäß sind auch weitere Ausführungsformen möglich, beispielsweise könnte das Brennstoffkanalsystem 3 aus 2 ähnlich wie in 1 dargestellt im äußeren Bereich des Brenners angeordnet sein, wobei abweichend von 1 die Trennwand 10 nicht Teil einer Venturidüse ist.
Bezugszeichenliste

1: Brenner
2: Brennkammer
3: Brennstoffkanalsystem
4: Luftkanalsystem
5: Abgaskanalsystem
6: Verbindung
7: Wärmetauscher
8: erste Trennwand
9: Venturi-Bereich
10: zweite Trennwand
11: Öffnung
12: Brennstoffkammer
13: Brennstoffzufuhr
14: Wärmeübertrager

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

DE 10149329 A1 [0003]
AT 962-2013 A [0004]

Claims

Brenner (1) für ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit externer Verbrennung, wobei der Brenner (1) ein Brennstoffkanalsystem (3) zum Führen des Brennstoffs, ein Luftkanalsystem (4) zum Führen der Luft und ein Abgaskanalsystem (5) zum Führen des Abgases umfasst, wobei das Brennstoffkanalsystem (3) und das Luftkanalsystem (4) in einer Brennkammer (2) zur Verbrennung des Brennstoffs zusammengeführt werden und das Abgaskanalsystem (5) dazu ausgelegt ist, das Abgas von der Brennkammer (2) abzuleiten, wobei der Brenner (1) einen Wärmetauscher (7) zum Übertragen der Wärme von dem Abgas auf die Luft umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftkanalsystem einen Venturi-Bereich (9) mit einem verminderten Querschnitt aufweist, in dem in dem das Luftkanalsystem eine Venturidüse bildet, in der die Strömungsgeschwindigkeit der Luft erhöht wird, und dass der Venturi-Bereich (9) mittels einer Verbindung (6) so mit dem Abgaskanalsystem (5) verbunden ist, dass der Venturi-Effekt dazu genutzt wird um ein Teil des Abgases anzusaugen und der Luft zuzumischen.
Brenner (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Venturi-Bereich (9) unmittelbar an der Brennkammer (2) angrenzt, so dass die Luft aus dem Venturibereich unmittelbar in die Brennkammer strömt.
Brenner (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftkanalsystem (4) und das Abgaskanalsystem (5) innerhalb des Brenners (1) durch eine erste Trennwand (8) voneinander getrennt sind, die Trennwand zumindest einen Teil einer Venturidüse bildet und die Verbindung (6) durch eine Öffnung (11) der Trennwand (8) gebildet wird.
Brenner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftkanalsystem (4) zumindest Abschnittsweise, bevorzugt im Venturi-Bereich (9) das Abgaskanalsystem (5) umgibt.
Brenner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffkanalsystem (3) zumindest Abschnittsweise das Luftkanalsystem (4) umgibt.
Brenner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffkanalsystem (3) eine Brennstoffkammer (12) umfasst, die den Wärmetauscher (7) zumindest teilweise so umgibt, dass die Brennstoffkammer (12) den zweiten Wärmetauscher (7) gegenüber der Umgebung des Brenners (1) thermisch isoliert.
Brenner (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffkammer (12) an die Brennkammer (2) angrenzt und Öffnungen (11) im Außenbereich aufweist, so dass das Brenngas im Außenbereich der Brennkammer (2) zugeführt wird.
Brenner (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffkammer (12) und das Luftkanalsystem (4) innerhalb des Brenners (1) durch eine zweite Trennwand (10) voneinander getrennt sind und die Trennwand zumindest einen Teil einer Venturidüse bildet.
Brenner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgaskanalsystem (5) zumindest Abschnittsweise, bevorzugt im Venturi-Bereich (9) das Luftkanalsystem (4) umgibt.
Brenner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftkanalsystem (4) zumindest Abschnittsweise, bevorzugt im Venturi-Bereich (9) das Brennstoffkanalsystem (3) umgibt.
Brenner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffkanalsystem (3) eine Brennstoffkammer (12) umfasst, die den Wärmetauscher (7) zumindest teilweise so umgibt, dass die Brennstoffkammer (12) den zweiten Wärmetauscher (7) gegenüber der Umgebung des Brenners (1) thermisch isoliert.