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Die Erfindung betrifft ein Brennersystem für ein Gargerät sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennersystems für ein Gargerät. Die Erfindung betrifft insbesondere Brennersysteme, bei denen die durch Verbrennung von Gas erzeugte Wärme unmittelbar (also ohne zwischengeschalteten Wärmetauscher) zur Erwärmung einer Fläche dient, die mit Gargut in Berührung kommt.
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Solche Brennersysteme sind für Gargeräte bekannt. Sie eignen sich sehr gut zum Erhitzen von großen Mengen an Gargut, da Brenner große maximale Leistungsdichten aufweisen. Werden solche großen Leistungsdichten nicht benötigt, beispielsweise wenn sensible Gargüter gegart werden sollen, muss die Leistungsdichte des Brennersystems reduziert werden.
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Gleichzeitig ist es wichtig, dass Brennersysteme eine homogene Temperaturverteilung aufweisen, d.h., dass die vom Brennersystem erzeugte Wärme gleichmäßig abgegeben wird, um Hotspots zu vermeiden. Dies ist insbesondere bei Gargeräten notwendig, die einen Tiegel aufweisen, der sowohl zum Kochen als auch zum Anbraten verwendet werden kann. Nur bei einer homogenen Temperaturverteilung ist ein gleichmäßiges Erhitzen des Gargutes gewährleistet.
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Problematischerweise lässt sich die spezifische Leistungsdichte, d.h. Leistungsdichte pro Flächeneinheit, bekannter Brennersysteme nicht beliebig verringern, da zur Verbrennung des Brennstoffes eine gewisse minimale spezifische Leistungsdichte benötigt wird. Unterhalb dieser minimalen spezifischen Leistungsdichte findet keine vollständige Verbrennung statt oder die Flamme erlischt. Deswegen ist es üblich, dass zur Reduzierung der gesamten Leistungsdichte des Brennersystems die einzelnen Flammen weiter voneinander entfernt angeordnet werden. Auf diese Weise wird über die gesamte Fläche des Brennersystems eine im Durchschnitt geringere spezifische Leistungsdichte erzielt. Allerdings haben dann die Bereiche der erwärmten Fläche, die sich zwischen den Flammen befinden, eine niedrigere Temperatur als die Bereich direkt oberhalb der Flammen, was zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung und damit zu einer ungleichmäßigen Erwärmung des Gargutes führt.
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Somit sind bisher nur Brennersysteme bekannt, die entweder eine geringe Leistungsdichte über den gesamten Tiegelboden haben, wobei jedoch Hotspots entstehen, oder solche Brennersysteme, die den Tiegelboden gleichmäßig erwärmen, dafür jedoch eine höhere minimale Leistungsdichte aufweisen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Brennersystem sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brennersystems bereitzustellen, die niedrige Leistungsdichten bei gleichzeitiger homogener Temperaturverteilung ermöglichen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Brennersystem für ein Gargerät, mit einer Brennstoffzufuhr und einer ersten Brennerfläche zur Verbrennung des Brennstoffes, die stromabwärts der Brennstoffzufuhr vorgesehen ist, wobei das Brennersystem eine von der ersten Brennerfläche getrennte zweite Brennerfläche zur Nachverbrennung aufweist, die stromabwärts von der ersten Brennerfläche vorgesehen ist. Dabei ist der Begriff „stromabwärts“ in Bezug zur Strömung des Brennstoffes oder des durch die Verbrennung des Brennstoffes entstandenen Abgases zu verstehen. Unter „Brennstoff“ wird dabei sowohl ein brennbares Luft-Gas-Gemisch als auch das brennbare Gas selbst verstanden.
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Dadurch, dass eine zweite Brennerfläche zur Nachverbrennung vorgesehen ist, ist es möglich, die Leistungsdichte an der ersten Brennerfläche bis unterhalb der notwenigen Leistungsdichte für eine vollständige Verbrennung zu reduzieren. Bei einer nicht vollständigen Verbrennung, wie sie dann an der ersten Brennerfläche stattfindet, entstehen kohlenstoffmonoxidhaltige Abgase, die nicht in die Umgebung des Gargeräts abgegeben werden sollen. Durch die Nachverbrennung an der zweiten Brennerfläche werden diese Abgase, insbesondere das Kohlenstoffmonoxid, weiter oxidiert und zu üblichen, unbedenklichen Verbrennungsabgasen umgesetzt. Daher kann das Brennersystem eine gleichmäßige Verbrennung mit einer geringen spezifischen Leistungsdichte ermöglichen. Dadurch kann trotz der sehr geringen spezifischen Leistungsdichte eine homogene Temperaturverteilung realisiert werden.
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Vorzugsweise sind die erste Brennerfläche und/oder die zweite Brennerfläche mit einem Katalysatormaterial versehen, wodurch die spezifische Leistungsdichte weiter verringert werden kann. Dabei greift das Katalysatormaterial in die Reaktionskinetik der Verbrennung ein und führt zu einer Bevorzugung bestimmter Reaktionspfade, zum Beispiel zur bevorzugten Bildung von Kohlenstoffdioxid anstatt Kohlenstoffmonoxid. Dadurch ist es möglich, dass die Menge an gebildetem Kohlenstoffmonoxid an der ersten Brennerfläche reduziert und durch die Nachverbrennung sicher aus den Abgasen entfernt werden kann. Dabei kann das Katalysatormaterial ein Edelmetall wie Platin, Palladium und/oder Rhodium aufweisen.
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Beispielsweise ist eine Zündelektrode zur Zündung des Brennstoffes an der ersten Brennerfläche vorgesehen, wodurch ein einfaches Zünden des Brennstoffes möglich ist. Dabei kann die Zündelektrode auch zur Flammenüberwachung dienen.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine erste Luftzufuhr stromaufwärts der ersten Brennerfläche vorgesehen, wodurch der ersten Brennerfläche zuverlässig Luft zugeführt werden kann.
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Vorzugsweise ist eine zweite Luftzufuhr derart stromaufwärts der zweiten Brennerfläche vorgesehen, dass sie der zweiten Brennerfläche Luft zuführen kann. Genauer gesagt kann dem Abgas, das bei der Verbrennung an der ersten Brennerfläche entstanden ist, durch die zweite Luftzufuhr stromaufwärts der zweiten Brennerfläche Luft beigemischt werden, um die Nachverbrennung an der zweiten Brennerfläche zu optimieren.
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Beispielsweise ist zwischen der ersten Brennerfläche und der zweiten Brennerfläche ein Abgasraum ausgebildet, wobei die zweite Luftzufuhr in den Abgasraum mündet, sodass die durch die zweite Luftzufuhr zugeführte Luft effektiv mit dem Abgas vermischt werden kann.
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In einer Ausführungsvariante der Erfindung sind mehrere erste Brennerflächen vorgesehen, die von der zweiten Brennerfläche überdeckt werden. Auf diese Weise kann das Brennersystem platzsparend ausgeführt sein. Es ist beispielsweise in diesem Fall nur eine zweite Luftzufuhr notwendig. Zum Beispiel können die ersten Brennerflächen kreisförmig sein und jeweils eine eigene Zündelektrode aufweisen.
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Die erste Brennerfläche kann Teil eines Radialbrenners oder Teil eines Flächenbrenners sein, sodass auf beide Brennertypen zurückgegriffen werden kann.
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Insbesondere ist die zweite Brennerfläche Teil eines Flächenbrenners, um die Homogenität der Temperaturverteilung zu weiter zu verbessern.
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Vorzugsweise sind die erste Brennerfläche und/oder die zweite Brennerfläche an jeweils einem Brennerkörper, wie einer Metallfasermatte, einem Geflecht, insbesondere einem Drahtgeflecht, einem Gestrick, einer porösen Keramik und/oder einem Lochblech ausgebildet, wodurch die Verbrennungen an den jeweiligen Brennerflächen lokal kontrolliert und stabilisiert werden kann.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Brennersystem ein zylinderförmiges Gehäuse mit zwei Stirnseiten auf, und der erste Brennerkörper ist innerhalb des Gehäuses ebenfalls zylindrisch ausgebildet, wobei ein Spalt zwischen dem ersten Brennerkörper und dem Gehäuse ausgebildet ist. Auf diese Weise wird eine effektive und platzsparende Verbrennung an der ersten Brennerfläche möglich. Dabei können das Gehäuse und/oder der Brennerkörper kreiszylindrisch sein.
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Vorzugsweise mündet die Brennstoffzufuhr in den Spalt, sodass die erste Brennerfläche zuverlässig mit Brennstoff versorgt wird.
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Beispielsweise ist das Gehäuse an der stromabwärtigen Stirnseite durch die zweite Brennerfläche abgeschlossen, wodurch sichergestellt ist, dass sämtliche Abgase, die bei der Verbrennung an der ersten Brennerfläche entstanden sind, die zweite Brennerfläche vollständig passieren.
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Die zweite Luftzufuhr kann mittig an der stomaufwärtigen Stirnseite des Gehäuses vorgesehen sein, wodurch eine besonders kompakte und platzsparende Ausführung des Brennersystems erreicht wird.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Brennersystem eine Verteilerplatte auf, wodurch die an den Brennerflächen erzeugte Wärme gleichmäßig abgegeben werden kann. Die Verteilerplatte kann aus einer Metallfasermatte, einem Geflecht, insbesondere einem Drahtgeflecht, einem Gestrick, einer porösen Keramik und/oder einem Lochblech hergestellt sein. Auch die Verteilerplatte kann mit einem Katalysatormaterial versehen sein, um die Qualität des Abgases weiter zu steigern.
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Beispielsweise stellt die zweite Brennerfläche die Verteilerplatte dar, wodurch Bauteile eingespart werden.
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Ferner wird die Erfindung durch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennersystems für ein Gargerät gelöst, wobei ein Brennstoff an einer ersten Brennerfläche des Brennersystems verbrannt wird und die bei der Verbrennung entstandenen Abgase an einer zweiten Brennerfläche des Brennersystems nachverbrannt werden. Wie bereits beschrieben, ermöglicht es die Nachverbrennung, das Brennersystem mit geringerer spezifischer Leistungsdichte zu betreiben.
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Vorzugsweise wird der zweiten Brennerfläche Luft zur Nachverbrennung zugeführt, um die abgasreinigende Wirkung der Verbrennung an der zweiten Brennerfläche zu verbessern.
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Beispielsweise wird die zum Garen nutzbare Wärmemenge durch die Menge der zur Nachverbrennung zugeführten Luft gesteuert, wodurch eine einfache und zuverlässige Steuerung der zum Garen nutzbaren Wärmemenge ermöglicht wird. Dabei kann die Menge der Luft, die zur Nachverbrennung zugeführt wird, durch ein Gebläse in der Luftzufuhr gesteuert werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht ein an der ersten Brennerfläche und/oder an der zweiten Brennerfläche vorgesehenes Katalysatormaterial eine vollständige Verbrennung bei niedrigeren Temperaturen, als dies ohne das Katalysatormaterial der Fall wäre. Auf diese Weise lassen sich niedrigere spezifische Leistungsdichten erzielen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Brennersystems,
- - 2 eine Explosionsansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennersystems,
- - 3a eine Seitenansicht eines Brenners einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennersystems, und
- - 3b eine schematische Schnittansicht entlang der Achse III-III des Brenners nach 3a.
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In 1 ist ein Brennersystem 10 für ein Gargerät dargestellt.
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Das Gargerät ist ein Gargerät mit einem Tiegel, das für den professionellen Einsatz in Restaurants, Kantinen oder Großküchen vorgesehen ist. Im Tiegel können große Mengen an flüssigen Gargütern zubereitet oder Gargüter einzeln gebraten werden.
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Das Brennersystem 10 ist unterhalb des Tiegels, von dem in 1 nur der Tiegelboden 12 dargestellt ist, angeordnet und erhitzt somit den Tiegelboden 12.
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Das Brennersystem 10 weist eine Brennerbox 14 auf, in der ein Brenner 16 angeordnet ist.
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Das Brennersystem 10 hat eine Brennstoffzufuhr 18, die in den Brenner 16 mündet. Durch die Brennstoffzufuhr 18 kann Brennstoff in den Brenner 16 strömen, der dort verbrannt wird. Das bei der Verbrennung entstandene Abgas wird anschließend in Richtung des Tiegelbodens 12 geleitet, bevor es aus dem Brenner 16 austritt und abgeführt wird. Somit kann innerhalb des Brennersystems 10 eine Strömungsrichtung des Brennstoffes bzw. des Abgases festgelegt werden. Die Strömungsrichtung ist in den Figuren durch Pfeile angedeutet.
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Als Brennstoff kann dem Brenner 16 ein vorgemischtes brennbares Luft-Gas-Gemisch oder nur brennbares Gas zugeführt werden. Wird dem Brenner 16 durch die Brennstoffzufuhr 18 nur brennbares Gas zugeführt, weist der Brenner 16 zudem eine erste Luftzufuhr 20 auf, die dem Brenner 16 die zur Verbrennung benötigte Luft zuführt.
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Die erste Luftzufuhr 20 kann eine einfache Öffnung zur Umgebung hin sein. Denkbar ist auch, dass in der ersten Luftzufuhr 20 ein Gebläse zum Zuführen von Frischluft angeordnet ist.
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In der gezeigten Ausführungsform wird dem Brenner 16 ein brennbares Luft-Gas-Gemisch zugeführt, sodass die Brennstoffzufuhr 18 auch als erste Luftzufuhr 20 dient.
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Das brennbare Luft-Gas-Gemisch wird beispielsweise zuvor in einem Verbundsystem erzeugt, dass ein Ventil, eine Venturi-Düse und ein Gebläse aufweist.
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Der Brenner 16 weist ein kreiszylinderförmiges Gehäuse 22 mit zwei Stirnseiten auf, in dem ein ebenfalls kreiszylinderförmiger erster Brennerkörper 24 vorgesehen ist. Zwischen dem Gehäuse 22 und dem ersten Brennerkörper 24 ist ein Spalt 25 ausgebildet.
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Die zylindrische Form des Brennerkörpers 24 führt zur einer geringeren Ausdehnung des Brennerkörpers 24 im Betrieb und damit zu mehr Stabilität.
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Der erste Brennerkörper 24 ist in der in 1 gezeigten Ausführungsform als Lochblech ausgeführt. Denkbar ist auch, dass der erste Brennerkörper 24 eine Metallfasermatte, ein Geflecht, insbesondere ein Drahtgeflecht, ein Gestrick oder eine poröse Keramik ist.
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Am ersten Brennerkörper 24 ist eine erste Brennerfläche 26 ausgebildet, die somit auch kreiszylindrisch ist und die zudem mit einem Katalysatormaterial beschichtet sein kann. Das Katalysatormaterial kann Edelmetalle wie Platin, Palladium und/oder Rhodium aufweisen.
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Der erste Brennerkörper 24 mit der ersten Brennerfläche 26 ist somit als Radialbrenner ausgeführt.
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Die Brennstoffzufuhr 18 und somit auch die erste Luftzufuhr 20 münden in der Mitte des ersten Brennerkörpers 24 an einer der Stirnseiten des Gehäuses 22 in das Gehäuse 22, sodass die erste Brennerfläche 26 stromabwärts der Brennstoffzufuhr 18 und der ersten Luftzufuhr 20 vorgesehen ist. Diese Stirnseite ist also die stromaufwärtige Stirnseite des Gehäuses 22.
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Ebenfalls weist der Brenner 16 eine Zündelektrode 28 auf, die an der ersten Brennerfläche 26 vorgesehen ist, und die auch zur Überwachung der Flamme an der ersten Brennerfläche 26 dienen kann.
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An der stromaufwärtigen Stirnseite des Gehäuses 22 mündet auch eine zweite Luftzufuhr 30 in das Gehäuse 22, wobei in der zweiten Luftzufuhr 30 ein Gebläse 32 vorgesehen sein kann.
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An seiner stromabwärtigen Stirnseite ist das Gehäuse 22 durch eine zweite Brennerfläche 34 abgeschlossen.
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Die zweite Brennerfläche 34 ist an einem zweiten Brennerkörper 36 vorgesehen, der in der gezeigten Ausführungsform eine Metallfasermatte ist. Denkbar ist jedoch auch, dass der zweite Brennerkörper 36 ein Geflecht, insbesondere ein Drahtgeflecht, ein Gestrick, eine poröse Keramik und/oder ein Lochblech ist.
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Die Brennerbox 14 ist stromabwärts des Brenners 16, das heißt in der Darstellung der 1 oberhalb des Brenners 16, mit einer Verteilerplatte 38 versehen. Die Verteilerplatte 38 schließt nahezu die gesamte Brennerbox 14 zum Tiegelboden 12 hin ab.
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Die Verteilerplatte 38 kann eine Metallfasermatte, ein Geflecht, insbesondere ein Drahtgeflecht, ein Gestrick, eine poröse Keramik, ein Lochblech oder eine Platte sein.
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In der gezeigten Ausführungsform ist die Verteilerplatte 38 ebenfalls mit dem Katalysatormaterial beschichtet.
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Zum Betrieb des Brennersystems 10 wird dem Brenner 16 durch die Brennstoffzufuhr 18 Brennstoff zugeführt, in der gezeigten Ausführungsform also ein Luft-Gas-Gemisch.
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Das Luft-Gas-Gemisch wird durch die Zündelektrode 28 gezündet und verbrennt an der ersten Brennerfläche 26. Das hierbei entstehende Abgas strömt in Richtung der stromabwärtigen Stirnseite des Gehäuses 22.
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Die Strömung des Luft-Gas-Gemisches bzw. des Abgases verläuft im Bereich des Brennerkörpers 24 radial nach außen durch die erste Brennerfläche 26 hindurch auf das Gehäuse 22 zu. An der erste Brennerfläche 26 findet dann die Verbrennung statt.
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Denkbar ist selbstverständlich auch, dass die Strömung axial an der Brennerfläche 26 entlangläuft oder dass die Strömung eine Mischung aus axialer und radialer Strömung ist.
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Durch das Katalysatormaterial an der ersten Brennerfläche 26 wird bevorzugt Kohlenstoffdioxid anstatt Kohlenstoffmonoxid gebildet, so dass eine nahezu vollständige Verbrennung schon bei niedrigen Temperaturen möglich ist. Daher genügt eine geringe Menge an zugeführtem Brennstoff, um die Verbrennung aufrecht zu erhalten, wodurch eine geringe spezifische Leistungsdichte erzielt wird.
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Durch die zweite Luftzufuhr 30 wird dem Gehäuse 22 Luft zugeführt. Die Luft vermischt sich stromabwärts des ersten Brennerkörpers 24 mit dem Abgas, das bei der Verbrennung an der ersten Brennerfläche 34 entstanden ist.
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Dieses Abgas-Luft-Gemisch passiert dann die zweite Brennerfläche 34 und wird dort aufgrund des Katalysatormaterials an der zweiten Brennerfläche 34 nachverbrannt.
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Auf eine Zündung mittels einer Zündelektrode an der zweiten Brennerfläche 34 kann aufgrund der hohen Abgastemperatur verzichtet werden.
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Nachdem das Abgas-Luft-Gemisch nachverbrannt wurde, strömt es durch die Verteilerplatte 38. Die Verteilerplatte 38 lässt das Abgas zum einen gleichmäßig gegen den Tiegelboden 12 ausströmen und gibt zum anderen auch gleichmäßig Strahlungswärme an den Tiegelboden 12 ab.
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Denkbar ist auch, dass eine genügend große Verteilerplatte 38 vorgesehen ist, die gasundurchlässig ist, sodass der Tiegelboden 12 nur durch die Strahlungswärme der Verteilerplatte 38 erwärmt wird.
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Durch das Katalysatormaterial an der Verteilerplatte 38 kann das Abgas weiter nachverbrannt werden, um so die Konzentration von Kohlenstoffmonoxid im Abgas weiter zu verringern.
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Die Temperatur des Abgases hängt stark von der Menge an Luft ab, die dem Abgas durch die zweite Luftzufuhr 30 beigemischt wird, da die durch die zweite Luftzufuhr 30 strömende Luft das Abgas kühlt. Die Menge an Luft und damit auch die Temperatur des Abgases kann durch Steuerung der Geschwindigkeit des Gebläses 32 in der zweiten Luftzufuhr 30 kontrolliert werden. Somit kann die zum Garen nutzbare Wärmemenge bzw. die Leistungsdichte des Brennersystems 10 auch durch die Menge der zur Nachverbrennung zugeführten Luft gesteuert werden.
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In den 2, 3a und 3b sind weitere Ausführungsformen des Brennersystems 10 dargestellt, die im Wesentlichen der ersten Ausführungsform des Brennersystems 10 entsprechen. Deswegen wird im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen. Gleiche und funktionsgleiche Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform ist die Brennerbox 14 gleichzeitig das Gehäuse 22 des Brenners 16.
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Der Brenner 16 weist zwei erste Brennerflächen 26 auf, die in der zweiten Ausführungsform kreisförmig ausgeführt und aus einem Drahtgeflecht sind. Die ersten Brennerflächen 26 erstrecken sich sind in dieser Ausführungsform in radialer Richtung und sind somit parallel zu den zweiten Brennerflächen 34.
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Somit sind die ersten Brennerflächen 26 und die zweite Brennerfläche 34 Teile je eines Flächenbrenners.
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Die beiden ersten Brennerflächen 26 können jeweils eine eigene Zündelektrode (in 2 nicht dargestellt) aufweisen.
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In der zweiten Ausführungsform dient die zweite Brennerfläche 34 als Abschluss der Brennerbox 14 bzw. des Gehäuses 22 und überdeckt damit die beiden ersten Brennerflächen 26 vollständig. Die zweite Brennerfläche 34 stellt somit gleichzeitig die Verteilerplatte 38 dar.
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Zwischen den beiden ersten Brennerflächen 26 und der zweiten Brennerfläche 34 wird dabei ein Abgasraum 40 innerhalb des Gehäuses 22 gebildet. In den Abgasraum 40 mündet die zweite Luftzufuhr 30, die der zweiten Brennerfläche 34 somit besonders effektiv Luft zuführen kann.
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In der in den in 3a und 3b dargestellten dritten Ausführungsform ist nur ein Brenner 16 des Brennersystems 10 gezeigt, der in einer Brennerbox 14 eingesetzt werden kann.
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Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass die Brennstoffzufuhr 18 in den Spalt 25 zwischen dem Gehäuse 22 und dem ersten Brennerkörper 24 mündet.
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Die zweite Luftzufuhr 30 ist mittig in der stromaufwärtigen Stirnseite des Gehäuses 22 und damit auch mittig im ersten Brennerkörper 24 vorgesehen. Außerdem kann sich der erste Brennerkörper 24 bis zur stromaufwärtigen Stirnseite des Gehäuses 22 erstrecken. Somit wird der Abgasraum 40 im Inneren des kreiszylindrischen ersten Brennerkörpers 24 ausgebildet.
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Auch in der dritten Ausführungsform ist der zweite Brennerkörper 36 als stromaufwärtiger Abschluss des Gehäuses 22 vorgesehen, sodass hier die zweite Brennerfläche 34 direkt von der Luft der zweiten Luftzufuhr 30 angeströmt wird.
