DE102014224098A1 - Burner system for a combined heat and power system with external combustion - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennersystem für ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit externer Verbrennung und einer Wärmekraftmaschine. Erfindungsgemäß wird ein Teil des von einem Wärmeübertrager (7) zur Übertragung der Wärme der Abgase des Brenners (6) auf die Wärmekraftmaschine (8) abgekühlten Abgases unmittelbar hinter dem Wärmeübertrager (7) entnommen und zu einer Abgas-Zumischung (9) unmittelbar vor dem Wärmeübertrager (7) dem heißen Abgas des Brenners (6) zu gemischt. Dadurch kann die thermische Belastung des Wärmeübertragers 7 verringert werden.The invention relates to a burner system for a cogeneration system with external combustion and a heat engine. According to the invention, part of the exhaust gas cooled by a heat exchanger (7) for transmitting the heat of the exhaust gases of the burner (6) to the heat engine (8) is taken directly behind the heat exchanger (7) and to an exhaust admixture (9) immediately before Heat exchanger (7) to the hot exhaust gas of the burner (6) to be mixed. Thereby, the thermal load of the heat exchanger 7 can be reduced.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennersystem 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. The invention relates to a burner system for a cogeneration system with external combustion. Combined heat and power systems are used to simultaneously heat buildings and generate electricity. They can be constructed from a heat engine that drives a generator to generate electricity. The waste heat of the heat engine is used for heating purposes. The heat engine may be an external combustion engine, such as a Stirling engine, or a thermoacoustic generator. In these cases, the heat engine has a heat sink to be heated by a burner system.

Insbesondere in den Fällen, in denen Abwärme oder Restwärme des Kraft-Wärme-Kopplungssystem sich genutzt wird, um die Luft vor der Verbrennung vorzuwärmen, können sehr hohe Temperaturen im Wärmeübertrager, der die Wärme des Brenners auf die Wärmekraftmaschine überträgt, auftreten. Dies führt zu einer hohen thermischen Belastung des Wärmeübertragers. Ein weiteres Problem ist, dass aufgrund des großen Temperaturgefälles im Wärmeübertrager thermisch bedingte Spannungen im Wärmeübertrager auftreten. Es hat sich gezeigt, dass eine Erhöhung der Luftzahl, beispielsweise λ = 1,8, dieses Problem nicht wesentlich verbessert. In particular, in the cases where waste heat or residual heat of the combined heat and power system is used to preheat the air prior to combustion, very high temperatures in the heat exchanger, which transmits the heat of the burner to the heat engine occur. This leads to a high thermal load of the heat exchanger. Another problem is that thermally induced stresses in the heat exchanger occur due to the large temperature gradient in the heat exchanger. It has been found that increasing the air ratio, for example λ = 1.8, does not significantly improve this problem.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Brennersystem für ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit externer Verbrennung bereitzustellen, bei dem die Temperatur im Wärmeübertrager verringert wird.It is therefore an object of the invention to provide a burner system for a cogeneration system with external combustion, in which the temperature is reduced in the heat exchanger.

Dies erfolgt erfindungsgemäß durch ein Brennersystem gemäß dem unabhängigen Anspruch. Dabei wird ein Teil des aus dem Wärmeübertrager austretenden Abgases, welches im Wärmeübertrager abgekühlt wurde, zurückgeführt und dem in den Wärmeübertrager eintretenden Abgas zugemischt. Der Vorteil ist, dass das in den Wärmeübertrager eintretende Gas eine geringere Temperatur aufweist. Dadurch ist der Wärmeübertrager einer geringeren thermischen Belastung ausgesetzt. Zugleich wird der Massenstrom des durch den Wärmeübertrager strömenden Gases erhöht. Die Temperaturdifferenz zwischen Wärmeübertrager-Eingang und Wärmeübertrager-Ausgang wird verringert, so dass die thermisch bedingten Materialspannungen geringer sind.This is done according to the invention by a burner system according to the independent claim. In this case, part of the exiting from the heat exchanger exhaust gas, which was cooled in the heat exchanger, returned and added to the entering into the heat exchanger exhaust gas. The advantage is that the gas entering the heat exchanger has a lower temperature. As a result, the heat exchanger is exposed to a lower thermal load. At the same time, the mass flow of the gas flowing through the heat exchanger is increased. The temperature difference between the heat exchanger input and heat exchanger output is reduced, so that the thermally induced material stresses are lower.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verfolgt die zur Mischung des zurückgeführten Abgases in einer Venturidüse. Dazu wird das vom Brenner zum Wärmeübertrager geführte Abgas durch die Venturidüse geleitet und das zurückzuführende abgekühlte Abgas am Unterdruck-Anschluss der Venturidüse zugeführt.In an advantageous embodiment of the invention, the pursues for mixing the recirculated exhaust gas in a venturi. For this purpose, the guided from the burner to the heat exchanger exhaust gas is passed through the Venturi nozzle and supplied to be returned cooled exhaust gas at the negative pressure port of the venturi.

Die Erfindung wird nun anhand der Figur detailliert erläutert. In 1 stellt schematisch das erfindungsgemäße Brennersystem dar. Dieses Brennersystem ist Bestandteil eines hier nicht dargestellten Kraft-Wärme-Kopplungssystems mit externer Verbrennung. Die Umsetzung der Wärme in mechanische Energie erfolgt in einer Wärmekraftmaschine 8. Bei dem erfindungsgemäßen Brennersystem wird über ein Gebläse 1 einem Brenner 6 Luft zugeführt. Dabei wird die Luft zunächst in einem Verbrennungsluft-Vorwärmer 3 vorgewärmt. Dabei kann das Wärme des Abgases aus einem ersten Abgas-Wärmetauscher 13 verwendet werden. Dies ist hier symbolisch durch einem Kreislauf zwischen dem Verbrennungsluft-Vorwärmer 3 und dem ersten Abgas-Wärmetauscher 13 dargestellt. Erfindungsgemäß eingeschlossen ist jedoch ein direkter gemeinsamer Wärmetauscher, der auf der einen Seite von dem Abgas und auf der anderen Seite von der Verbrennungsluft durchströmt wird. Durch den Verbrennungsluft-Vorwärmer 3 kann die Verbrennungsluft auf Temperaturen zwischen 500 °C und knapp unterhalb der Selbstentzündungstemperatur eines Erdgas-Luft-Gemischs von 595 °C vorgewärmt werden. Eine Gasarmatur 4 regelt die Menge des über die Gaszufuhr 2 zugeführten Brenngases. Dieses wird in der Gas-Luft-Mischvorrichtung 5 der vorgewärmt Luft zugeführt. In den Brenner 6 wird das Gas-Luft-Gemisch verbrannt. The invention will now be explained in detail with reference to FIG. In 1 schematically represents the burner system according to the invention. This burner system is part of a cogeneration system with external combustion, not shown here. The conversion of heat into mechanical energy takes place in a heat engine 8th , In the burner system according to the invention is via a blower 1 a burner 6 Supplied with air. The air is first in a combustion air preheater 3 preheated. In this case, the heat of the exhaust gas from a first exhaust gas heat exchanger 13 be used. This is symbolic here by a circuit between the combustion air preheater 3 and the first exhaust gas heat exchanger 13 shown. However, included according to the invention is a direct common heat exchanger, which is traversed on one side by the exhaust gas and on the other side by the combustion air. Through the combustion air preheater 3 The combustion air can be preheated to temperatures between 500 ° C and just below the auto-ignition temperature of a natural gas-air mixture of 595 ° C. A gas valve 4 regulates the amount of the gas supply 2 supplied fuel gas. This is done in the gas-air mixer 5 the preheated air supplied. In the burner 6 the gas-air mixture is burned.

In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gebläse auf der Luftseite vorgesehen. Erfindungsgemäß kann ebenso das Gebläse auf der Abgasseite als so Gebläse ausgeführt sein. Ebenfalls ist eine Gas-Luft-Mischvorrichtung 5 außerhalb des Brenners 6 dargestellt. Erfindungsgemäß kann die Mischung der Verbrennungsluft mit dem Gas auch direkt im Brenner 6 erfolgen. In the embodiment shown here, the fan is provided on the air side. According to the invention, the blower on the exhaust side can also be designed as a blower. Also is a gas-air mixing device 5 outside the burner 6 shown. According to the invention, the mixture of the combustion air with the gas also directly in the burner 6 respectively.

Stromab des Brenners 6 ist eine Abgas-Zumischung 9 vorgesehen. Hier wird das heiße Abgas, das aus dem Brenner 6 austritt, mit über die Abgasrückführung 12 zugeführten abgekühlten Abgas gemischt, das dann gemeinsam über den Wärmeübertrager-Eingang 10 in den Wärmeübertrager 7 geleitet wird. Der Wärmeübertrager 7 überträgt die Wärme des Abgases-Gemisches auf die Wärmekraftmaschine 8. Über den Wärmeübertrager-Ausgang 11 verlässt das abgekühlte Abgas den Wärmeübertrager 7, wobei über die Abgasrückführung 12 ein Teilstrom des abgekühlten Abgases abgezweigt und zu der Abgas-Zumischung 9 geführt wird. Erfindungsgemäß werden mit einer Venturidüse als Abgas-Zumischung 9 beispielsweise 10 % des Abgases zurückgeführt. Das restliche Abgas durchströmt zunächst den ersten Abgas-Wärmetauscher 13 zur Vorwärmung der Verbrennungsluft und anschließend den zweiten Abgas-Wärmetauscher 14, in dem die restliche Wärme des Abgases für Heizzwecke oder zur Erwärmung von Brauchwasser, hier nicht dargestellt, genutzt wird. Downstream of the burner 6 is an exhaust gas admixture 9 intended. Here is the hot exhaust coming out of the burner 6 exit, with the exhaust gas recirculation 12 fed cooled exhaust gas, which then together via the heat exchanger input 10 in the heat exchanger 7 is directed. The heat exchanger 7 transfers the heat of the exhaust gas mixture to the heat engine 8th , About the heat exchanger output 11 the cooled exhaust gas leaves the heat exchanger 7 , where about the exhaust gas recirculation 12 a partial flow of the cooled exhaust gas branched off and to the exhaust gas admixture 9 to be led. According to the invention with a venturi as an exhaust gas admixture 9 For example, returned 10% of the exhaust gas. The remaining exhaust gas first flows through the first exhaust gas heat exchanger 13 for preheating the combustion air and then the second exhaust gas heat exchanger 14 , in which the residual heat of the exhaust gas for heating purposes or for heating domestic water, not shown, is used.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Gebläse fan
22
Gaszufuhr gas supply
33
Verbrennungsluft-Vorwärmer Combustion air preheater
44
Gasarmatur gas train
55
Gas-Luft-Mischvorrichtung Gas-air mixing device
66
Brenner burner
77
Wärmeübertrager  Heat exchanger
88th
Wärmekraftmaschine Heat engine
99
Abgas-Zumischung Exhaust admixture
1010
Wärmeübertrager-Eingang Heat exchanger input
1111
Wärmeübertrager-Ausgang Heat exchanger output
1212
Abgasrückführung Exhaust gas recirculation
1313
Erster Abgas-Wärmetauscher First exhaust gas heat exchanger
1414
Zweiter Abgas-Wärmetauscher Second exhaust gas heat exchanger

Claims (2)

Brennersystem für ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit externer Verbrennung und einer Wärmekraftmaschine (8), umfassend einen Brenner (6) und einen Wärmeübertrager (7) zur Übertragung der Wärme der Abgase des Brenners (6) auf die Wärmekraftmaschine (8), wobei der Wärmeübertrager (7) einen Wärmeübertrager-Eingang (10) für heißes Abgas und einen Wärmeübertrager-Ausgang (11) für abgekühltes Abgas aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Wärmeübertrager-Ausgang (11) und Wärmeübertrager-Eingang (10) eine Abgasrückführung (12) für die Rückführung von abgekühltem Abgas zu einer Abgas-Zumischung (9) zwischen Brenner (6) und Wärmeübertrager-Eingang (10) vorgesehen ist.Burner system for a combined heat and power system with external combustion and a heat engine ( 8th ) comprising a burner ( 6 ) and a heat exchanger ( 7 ) for transmitting the heat of the exhaust gases of the burner ( 6 ) on the heat engine ( 8th ), wherein the heat exchanger ( 7 ) a heat exchanger input ( 10 ) for hot exhaust gas and a heat exchanger output ( 11 ) for cooled exhaust gas, characterized in that between heat exchanger output ( 11 ) and heat exchanger input ( 10 ) an exhaust gas recirculation ( 12 ) for the recirculation of cooled exhaust gas to an exhaust gas admixture ( 9 ) between burners ( 6 ) and heat exchanger input ( 10 ) is provided. Brennersystem nach Anspruch 1, wobei die Abgas-Zumischung (9) eine Venturidüse ist, durch die im Betrieb das Abgas vom Brenner (6) zum Wärmeübertrager-Eingang (10) strömt, und dass die Abgasrückführung (12) mit dem Unterdruck-Anschluss der Venturidüse verbunden ist.Burner system according to claim 1, wherein the exhaust gas admixture ( 9 ) is a Venturi nozzle through which in operation the exhaust gas from the burner ( 6 ) to the heat exchanger input ( 10 ) flows, and that the exhaust gas recirculation ( 12 ) is connected to the vacuum port of the Venturi nozzle.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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