DE102017113308A1 - Hocheffizientes Rekuperations-Gasbrennersystem in kostengünstiger modularer Bauweise für Wärmekraftmaschinen, Öfen und Herde in Gastronomie und Kleingewerbe - Google Patents

Hocheffizientes Rekuperations-Gasbrennersystem in kostengünstiger modularer Bauweise für Wärmekraftmaschinen, Öfen und Herde in Gastronomie und Kleingewerbe

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DE102017113308A1 DE102017113308.9A DE102017113308A DE102017113308A1 DE 102017113308 A1 DE102017113308 A1 DE 102017113308A1 DE 102017113308 A DE102017113308 A DE 102017113308A DE 102017113308 A1 DE102017113308 A1 DE 102017113308A1
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Jan Trzcionka
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Rudolf Leicht
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Abstract

Hocheffizientes Rekuperations-Gasbrennersystem in kostengünstiger modularer Bauweise für Wärmekraftmaschinen, Öfen und Herde in Gastronomie und Kleingewerbe auf dem Gebiet der Injektor-Gasbrennsysteme mit externer Abgabsrekuperation bei dem die Düsenstockmodule (2) in verschiedener Anzahl am Gasverteilerflansch (6.X) angebracht werden können und durch weitere Düsenstockmodule (2) verlängert werden können und bei dem auch die weiteren Komponenten modelierbar eingebunden werden können, insbesondere ein Plattenwärmetauscher (15) mit einem Niederdruckverdichter (14) auf der Frischluftseite.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Rekuperationsbrenner und betrifft ein Injektor-Gasbrennersystem mit externer Abgasrekuperation für den kostengünstigen universellen Einsatz in Wärmekraftmaschinen, Öfen und Herden für verschiedene Leistungsgrößen und Heizflächenquerschnitte, bestehend aus einem modular aufgebauten Gasbrenner mit einem Gasverteilerflansch, rohrförmigen Düsenstockmodulen, einer wärmeisolierenden Brennkammer und den weiter bezeichneten Elementen. Die Erfindung umfasst insbesondere Anwendungen des Gasbrennersystems für Wärmekraftmaschinen zur Erwärmung von Wärmeträgeröl. sowie Anwendungen für den Betrieb von Gasöfen mit offener und geschlossener Flamme (Strahlungsöfen) und Sicherheits-Gasherde ohne offene Flamme mit einem bis mehreren Strahlungsfeldern.
  • Gasbrennersysteme werden üblicherweise eingesetzt, um als Ofenbrenner ein voreingestelltes erhöhtes Temperaturniveau im Ofenraum zu erhalten. Je höher diese Temperaturvorgabe ist, desto höher wird auch die Abgastemperatur, wobei die chemische Flammtemperatur den erreichbaren Maximalwert darstellt. Aus der Thermodynamik und Wärmetechnik ist bekannt, die heißen sauerstoffarmen Abgase zur Vorwärmung der kühlen sauerstoffreichen Frischluft zu nutzen. Umgesetzt wird diese Technik in sogenannten Rekuperationsbrennern. Da ein bestimmtes Temperaturniveau des Volumenstroms fast proportional zu dessen Innerem Energiegehalt ist, muss der Brenner nun nur noch den energetischen Differenzbetrag aufbringen, um eine voreingestellte Flammtemperatur zu erreichen. Das bedeutet aber auch, dass die erreichbare Flammentemperatur bei Kaltluftzufuhr zur Rekuperations-Sockeltemperatur hinzuaddiert werden kann und somit eine höhere Brennertemperatur erreichbar wird. Auf diese Weise wäre nur mit Luftzufuhr die Temperatur eines Sauerstoff-Schweißbrenners erreichbar.
  • Die derzeit üblichen Industriebrenner sind meist sogenannte Rekuperationsbrenner mit offener oder geschlossener Flamme (sogenannte Strahlungsbrenner). Diese sind mit Wirkungsgraden unter 70 % oft nur unzureichend für eine Wärmerückgewinnung ausgelegt und werden auf Bestellung, überwiegend für größere Leistungen über 100 kW hergestellt. Deshalb und aufgrund ihres integralen, sehr aufwendigen Aufbaus sind sie relativ teuer, was sich als Nachteil bei der Verwendung für kleiner dimensionierte Anforderungen erweist. Bei allen offenen industriellen Ofenbrennern ist der Rekuperator in die eigentliche Brennereinheit integriert und die Abgase werden direkt hinter der Brennerdüse chaotisch ohne Brenngasführung aus der Brennkammer wieder abgesaugt. Die Brenner haben fast immer eine oder mehrere zentrale Düse und sind von einer speziellen zylindrischen Rekuperatoreinheit umgeben.
  • Rekuperationsbrenner für Wärmekraftmaschinen mit äußerer Verbrennung (z.B. Stirlingmaschine) sind immer recht ineffiziente Sonderanfertigungen und integraler Bestandteil der jeweiligen Maschine. Sie sind nicht als separate Kaufteile auf dem Markt erhältlich, was auch für den Ersatzteilmarkt gilt.
  • Der Einsatz einer Rekuperationstechnik bei Gasöfen und Gasherden im Gastronomie- und kleingewerblichen Bereich ist nahezu unbekannt. Selbst Etagen- und Wagenöfen in Großbäckereien bieten lediglich eine Abwärmenutzung zur Wassererwärmung bzw. Heizungsunterstützung an, was spätestens im Sommer problematisch ist. Zwar ist die Hochtemperatur-Wärmeerzeugung aus Gas weitaus kostengünstiger als die mit Strom, dennoch bleiben bei Gasöfen und Gasherden Einsparpotentiale auf Grund ineffizienter Gasbrenner ungenutzt, obwohl die Strompreise für Kleinabnehmer viel höher sind als jene für Großverbraucher. Die Abgastemperatur dieser Gasgeräte ist zwar theoretisch mit 200 - 400°C relativ niedrig, kann aber durchaus auch höher sein. Ein großer Teil der Brenngase streicht oft ungenutzt am Brenngut vorbei, z.B. bei offenen Herden oder Grillanlagen. Eine offene Gasflamme ist zudem gefährlich und die Abwärme und Luftverunreinigungen der offenen Geräte beeinträchtigen die Innenatmosphäre. Die Abgase müssen daher abgesaugt und die umgebende Raumluft oft zusätzlich gekühlt werden. Die Nachteile einer Erwärmung mit herkömmlichen Gasöfen und Gasherden ohne Rekuperationstechnik werden von den Geschäftsinhabern allgemein in Kauf genommen und sind wirtschaftlich auf Grund fehlender Angebote und mit Gewohnheitseffekten zu erklären. Der Preiskampf seitens der Gerätehersteller verhindert bisher wegen der hohen Kosten der Rekuperation und industrieller Rekuperationsbrenner, eine kleingewerbliche Verbreitung.
  • Wärmekraftmaschinen mit externer Verbrennung und hoher Arbeitstemperatur im Leistungsbereich unter 100 kW (z.B. Stirlingmaschine und Mikro-Gasturbinen) sind im Aufbau oft sehr teuer. Ein Hauptkostenpunkt dabei ist die spezielle Konstruktion des Abgasrekuperators trotz der meist nur 70%igen Abgaswärmerückgewinnung. Insbesondere wenn keine nachgeschaltete Abwärmenutzung wie Heizung oder Warmwasser möglich ist, ergeben sich Abgastemperaturen von weit über 300°C, ähnlich denen von BHKW's.
  • Diese Marktsituation spiegeln auch die recherchierbaren Druckschriften im Bereich der Rekuperationsbrenner wieder. Vorrangig sind Erfindungen für den industriellen Ofenbereich offenbart. Seltener sind ermittelbare Druckschriften auf Heißgasmaschinen bezogen. Erfindungen, die für den Gastronomiebereich ausgelegt sind, waren nicht zu ermitteln. Die Patente DE60315260T2 und US3717993A beschreiben jeweils Stirlingmaschinen mit integriertem Abwärmetauscher für die Brennereinheit. Durch die komplette Umhüllung des Brenners inkl. Arbeitszylinder mit einer doppelwandigen glockenförmigen Wärmetauschereinrichtung sollen Abstrahlungsverluste ohne zusätzliche Isolierung vermieden werden. Die Zu- und Abluft wird dabei räumlich getrennt im Gegenstrom durch die lamellierten Ringspalte gezogen. Die Druckschrift DE2844521A1 schlägt eine Abwärmerekuperation mit Gebläse und regelbarem Kreuzstromwärmetauscher für Hochtemperaturöfen vor. DE19937305C1 beschreibt einen kompakten Rekuperatorbrenner, wobei nur die Brennergruppe in den Ofenraum eintaucht, während sich der spezielle Rekuperatorteil inkl. Flansch leicht zugänglich außerhalb der Ofenwand befindet. Dadurch sollen die Wartung und Reinigung erleichtert werden.
  • DE19919293 C1 beschreibt einen Hochtemperatur-Gaserhitzer mit integriertem Rekuperator in der typischen Bauweise eines kompakten Rekuperationsbrenners. Der kuppelförmige Rekuperator inkl. Außenisolierung umgibt den zentralen Brenner mit den Wärmetauscherröhrchen.
  • Nachteilig bei den vorbezeichneten ermittelten Druckschriften ist, dass die Rekuperationsbrennersysteme einen aufwendigen kuppelartigen Spezialaufbau um einen zentralen Brenner herum oder direkt dahinter erfordern. Dieser Aufbau wird zwar als Vorteil herausgestellt, da er die Wärmeabstrahlung und den Isolierungsaufwand nach außen vermindert. Nachteilig sind jedoch die hohen Herstellungskosten, die begrenzte Auslegung für bestimmte Einsatzzwecke und Leistungsgrößen und das Fehlen einer dadurch bedingten Möglichkeit, das System flexibel für verschiedene Anwendungen auch im kleingewerblichen Bereich zu verwenden. Dadurch bleibt auch die Nutzung für neue Einsatzmöglichkeiten außerhalb der jeweiligen Anwendung verwehrt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die technische Aufgabe zu Grunde, ein flexibles kostengünstiges Injektor-Gasbrennersystem mit Abgaswärmerückgewinnung für Wärmekraftmaschinen und Gasgeräte mit offenem und geschlossenem Brennraum bereitzustellen. Ziel der Verwendung ist vorrangig der kleingewerbliche und gastronomische Bereich. Das Injektor-Gasbrennersystem mit oder ohne hocheffiziente Abgasrekuperation ist flexibel und kostengünstig einsetzbar und nachrüstbar. Ziel ist neben der Energieeinsparung die Erhöhung der Arbeitssicherheit und die Verbesserung der Raumluft im Innenbereich und der Entfall einer Klimaanlage.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Injektor-Gasbrennersystem gemäß Anspruch 1 gelöst, das einen modularen Aufbau vorsieht, nämlich einen Gasverteilerflansch mit flanschseitigen Bohrungen um mehr als ein Düsenstockmodul darin anzuordnen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Aufgrund des Vorhandenseins von modularen Teilen für die Realisation des Injektor-Gasbrennersystems ergibt sich der Vorteil, dass das Gasbrennersystem flexibel und kostengünstig für unterschiedlichste Anforderungen ausgelegt werden kann.
  • Des Weiteren ist für die Rekuperation vorgesehen, die Frischluftvorwärmung als direktesten Weg zu nutzen, ohne das aufwendige Erfordernis einer nachgeschalteten Wasser- oder Heizungsanbindung. Aufgrund seiner um ca. 2/3 günstigeren Herstellkosten, bei gleichzeitig außergewöhnlich hohem Rekuperations-Wirkungsgrad von über 90% (bedingt durch den Plattenwärmetauscher), ergeben sich sowohl bei der Anschaffung, als auch beim Betrieb des modularen Rekuperations-Gasbrennersystems Kostenvorteile für den Anwender.
  • So kann ein Rekuperationsgrad von über 90 % im Vergleich zu unter 70 % bei den am Markt befindlichen industriellen Rekuperations-Ofenbrennern erreicht werden. Dadurch ist es sogar möglich, die Abgastemperatur bis unter die Kondensationsgrenze (Brennwerttechnik) zu senken und damit den Gesamt-Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen bzw. Gasgeräten herkömmlicher Bauart zu erhöhen. Auf Grund der dimensionierbaren Leistungsbereiche von nur 1 bis ca. 100 KW, welche unterhalb der meisten am Markt befindlichen industriellen Rekuperations- Ofenbrenner liegen, können neue Markfelder erschlossen werden. Gleichzeitig können über den modularen Aufbau die Anschaffungskosten einer Brennereinheit um ca. 1/3 gesenkt werden und es ist möglich, vorhandene Geräte bedarfsorientiert nachzurüsten. Vorteilhaft beim modularen Rekuperations-Brennersystem ist auch, dass die geführten und gefilterten Abgase nicht unkontrolliert den Brennraum verlassen und dadurch die Raumluft sauber und kühl gehalten wird. Zudem erhöhen sich Komfort und Arbeitssicherheit, insbesondere beim Einsatz als geschlossener Strahlungsbrenner. Gegenüber strombeheizten Öfen und Herden ist eine Senkung der Energiekosten um mehr als 50% zu erwarten.
  • In der bevorzugten Ausführungsform nach Schutzanspruch 1 und 2 weist das erfindungsgemäße Injektor-Gasbrennersystem eine flexibel abgestufte Auslegung der Brennkammer auf. Die Flexibilität des modularen Gasbrennsystems wird u.a. dadurch erreicht, dass je nach Bedarf die Anzahl und Länge der Düsenstockmodule mit Injektordüsen definiert werden kann. Die daran flächenmäßig angepasste Brennkammer ist gasdicht verschweißt. Derartige Brennkammern sind innen mit kostengünstigen Aerogel-Isolierwerkstoff ausgekleidet, die schon bei geringer Stärke Dämmwerte nahe einer Vakuumisolierung erreichen und auch für Hochtemperaturanwendungen unter aggressiver Atmosphäre geeignet sind. Sie können leicht zugeschnitten und angepasst werden.
  • Je nach Heizflächenbedarf ist es möglich, an dem zu verwendenden und standardisierten Gasverteilerflansch flanschseitig eine, für die Auslegung der Leistung erforderliche Anzahl an Düsenstockmodulen anzubringen. Am Gasverteilerflansch sind dafür Bohrungen vorgesehen, die mit der bestimmten Anzahl Düsenstockmodulen bestückt werden. Die in die Brennkammer eintauchenden Düsenstockmodule, in welche die zur Flammerzeugung angeordneten Injektordüsen eingeschraubt sind, haben eine Ausrichtung zur offenen Befestigungsseite der Brennkammer.
  • Für das erfindungsgemäße Gasbrennersystem werden standardisierte und marktübliche Injektordüsen verwendet. Solche Injektordüsen sind beispielsweise für WOK-Brenner erhältlich. Es sind kleine Blaubrenner, welche die Luft aus seitlichen Öffnungen mithilfe des austretenden Brenngasstrahls nach dem Injektorprinzip mit ansaugen. Das unterstöchiometrische Gemisch wird in einer zylindrischen Sekundärzone unterhalb des Flammaustritts kleinräumig vorgemischt und vorverbrannt. Erst danach kommt es zum Flammaustritt und zur Nachverbrennung mithilfe der Umgebungsluft in der sogenannten Primärzone des Flammkegels.
  • Es ist weiter vorgesehen, dass auf den Düsenstockmodulen ein Blech aufliegt, dass mit Längsbohrungen versehen ist, so dass die Querschnitte der Injektordüsen an den Düsenstockmodulen von der Öffnung des Luftleitblechs strömungsdicht umschlossen werden. Unterhalb der Düsenstockmodule ist die Brennkammer geschlossen bis auf eine Öffnung mit Luftanschlussstutzen für die Frischluftzufuhr.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführung ist mit Schutzanspruch 3 bereitgestellt. Für die Leistungsauslegung des Injektor-Brennersystems kann es angebracht sein, anstatt der Länge und Anzahl der Düsenstockmodule die Anzahl der Injektordüsen zu variieren. So ist für jedes Düsenstockmodul eine maximale Anzahl von Gewindebohrungen vorzugsweise linear und im gleichen Abstand vorgesehen. In die Bohrungen werden die Injektordüsen eingeschraubt. An gleicher Stelle können die Bohrungen auch mittels Stopfen verschlossen werden.
  • Als weitere vorteilhafte Ausführung ist vorgesehen, dass Injektor-Gasbrennersystem in eine Vorrichtung mit einem Plattenwärmetauscher und einem Niederdruckverdichter auf der Frischluftseite zur Vorwärmung der Brenner-Frischluft im Gegenstrom mit den heißen Abgasen eingebunden wird, wie nach Schutzanspruch 4 beansprucht. Unter Verzicht auf eine nachgeschaltete Wassererwärmung oder Heizungsanbindung ist die Anordnung geeignet, eine flexible Leistungsanforderung in einem Bereich unterhalb von 100 KW kostengünstig mit hohem Rekuperations-Wirkungsgrad auszulegen. So wird ein Plattenwärmetauscher in hartgelöteter und geschweißter Edelstahlausführung eingesetzt. Derartige Plattenwärmetauscher sind in allen möglichen Leistungsgrößen und Abmaßen erhältlich. Sie sind für einen Innendrücke bis zu 25 bar ausgelegt und lassen sich mit herstellereigener Software leicht für den Gas-Gas-Betrieb berechnen. Sie sind extrem dünnwandig und fein strukturiert, was zu hohen Turbulenzwerten führt. Sie erreichen dadurch beim Wärmetausch trotz ihrer kompakten Dimensionen im Gegenstrom Effizienzwerte von über 90%. Da kein hoher Innendruck im Plattenwärmetauscher herrscht, kann dieser Temperaturen bis ca. 600°C in hartgelöteter Form und bis 1000 °C in geschweißter Form (sogen. Bonding), standhalten. Um den Materialverzug zwischen warmer und kalter Seite des Wärmetauschers gering zu halten, ist eine möglichst gestreckte Bauform zu wählen. Da beim Einsatz von Erdgas, Flüssiggas oder Biogas mit keiner Verschmutzung oder hohem Gasdruck zu rechnen ist, bedarf es also keiner Sonderanfertigung des Wärmetauschers.
  • Für den Frischluft- und Brenngasdurchzug wird ein kleiner Seitenkanalverdichter eingesetzt, der über einen Frequenzumrichter in der Drehzahl variierbar ist. Die hohe Turbulenz des Plattenwärmetauschers hat einen hohen Staudruck zur Folge und dafür sind normale Ofengebläse nicht ausreichend. Der Niederdruckverdichter saugt die kalte Umgebungsluft an und drückt sie mit ca. 0,1 bar bei hoher Förderrate durch den Wärmetauscher. Zusammen mit einer regelbaren Brenngaszufuhr lässt sich damit der Luftüberschuss bei vorgegebener Leistung bzw. Gasmenge optimal einstellen, was letztlich zu sehr niedrigen NOx und CO-Werten führt. In der gehobenen Ausführung kann dafür eine Lambda-Regelung zum Einsatz kommen. Eine zertifizierte Gassicherheitsgruppe incl. Einstellventil und Druckanzeige sind als Zubehör zu WOK-Brennern u.a. kostengünstig verfügbar.
  • Unser standardisiertes modulares Injektor-Brennersystem besitzt eine dazu passende anflanschbare Brennkammer, mit der jedes beliebige Gerät leicht aus- bzw. umgerüstet werden kann. Der gesamte Brennraum incl. Wärmetauscherkreis ist nach dem Anflanschen an die jeweilige Anwendung abgedichtet.
  • Gemäß weiterer vorteilhafter Ausführungsformen nach den Schutzansprüchen 5-13 wird das erfindungsgemäße Injektor-Gasbrennersystem in verschiedene Vorrichtungen eingebunden und auch in Kombination mit anderen Funktionsmodulen verbaut, um die Vorteile der Rekuperation zu nutzen.
  • Bei Wärmekraftmaschinen, einer Anwendung nach Schutzanspruch 5, Herd- und Ofenbrennern mit Rekuperation nach Schutzanspruch 10 ist es allgemein notwendig, die Brenngase innerhalb eines geschlossenen oder verschließbaren Brennraums gezielt über das zu erwärmende Element zu führen. Nach der dort erfolgenden Wärmeabgabe werden die Brenn- bzw. Abgase im kältesten Bereich des Brennraums gezielt wieder abgesaugt und die Frischluft damit vorgewärmt. Das ist insbesondere dort sinnvoll, wo ein Großteil der Brenngasströmung am Brenngut ungenutzt vorbeistreicht, was für Wärmekraftmaschinen, Wärmeträgerölerhitzer, Herde und Grills nach den Schutzansprüchen 5, 6, 8 - 11 erfindungsgemäß vorteilhaft vermieden wird. Da sich Vorwärmtemperatur und Verbrennungstemperatur addieren ist die Brenngastemperatur relativ hoch, was der Wärmeübertragung zugutekommt. Da trotzdem mit Luftüberschuss gearbeitet werden muss, um die Temperatur und NOx-Werte nicht zu hoch werden zu lassen, ist die Verbrennung letztlich besser als ohne Vorwärmung.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Zeichnungen und Ausführungsbeispielen anhand derer die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden soll, ohne die Erfindung auf diese zu beschränken.
    • 1: Grundaufbau einer Standard Brennkammer mit modularer 3-fach Injektorbrennereinheit ohne Peripherie
    • 2: Standard Brennkammer für eine verlängerte modulare 2-fach und 3-fach Injektor-Gasbrennereinheit ohne Peripherie
    • 3: Anwendungsbeispiel des modularen offenen Reku-Brennersystems mit zwei Standard-Brennkammern in einer Stirlingmaschine
    • 4: Anwendungsbeispiel des modularen offenen Reku-Brennersystems mit zwei Standard-Brennkammern in einem Wärmeträgeröl-Brenner
    • 5: Anwendungsbeispiel des modularen geschlossenen Reku-Brennersystems in einem Gasgrill bzw. Backofen mit Strahlungsplatte
    • 6: Anwendungsbeispiel des modularen offenen Reku-Brennersystems in einem Gas-Heißluftofen mit Kondensatabscheider
    • 7: Sicherheits-Gasherd mit 4 Standard-Brennkammern mit modularen geschlossenen Reku-Brennersystemen.
  • 1: zeigt eine Standard-Brennkammer (10.3-1) ohne Zubehör für eine modulare Injektor-Brennereinheit in 3-fach-Parallelausführung ohne Verlängerung. Die modulare Brennereinheit besteht grundsätzlich aus einem standardisierten Verteilerflansch (6.3) (hier für drei Düsenstockrohre), dem Rohradapter (5), den Düsenstockrohren (2) mit Injektordüsen (1), den Verschlußstopfen (4) und Kupferdichtringen (3), sowie einem Spannbalken (8.3) (hier für drei Düsenstöcke) und Zugankerstangen (7.1) (hier für eine Düsenstocklänge) und einem Schlitzblech (13.3-1) (hier für drei parallele Düsenstockrohre ohne Verlängerung).
  • Jedes Düsenstockrohr (2) ist mit sechs einschraubbaren Injektordüsen (1) (WOK-Düsen für Erdgas bzw. LPG-Gas) bestückt. Diese lassen sich bedarfsweise auch durch Stopfen ersetzen. Die Düsenstockrohre (2) können bedarfsweise durch Ineinanderstecken verlängert werden. Die Injektordüsen sind WOK-Düsen und als Massenware sehr kostengünstig verfügbar. Sie arbeiten sehr effizient, ähnlich einem Bunsenbrenner. Das Brenngas tritt durch die zentrale Düse in den Innenzylinder (Sekundärzone) ein und saugt dabei über die radiale Injektorbohrungen etwas Luft zur Vorvermischung ein.
  • Die Hauptverbrennung erfolgt dann beim Flammaustritt aus dem Zylinderbereich in der Primärzone mit weiterer Frischluft.
  • Auf der Vorderseite des Verteilerflansches (6.3) befindet sich ein dicht verschweißter Gasverteilerkasten, der auch stabilisierend wirkt. Das Brenngas wird zentral über ein Drosselventil (9) zugeführt. Die Flansche werden in mehreren Breitenausführungen (6.x) hergestellt, mit einer bis mehreren parallelen Düsenstockbohrungen. Die modulare Brennereinheit wird so zusammengestellt, dass sie den vorgesehenen Brennraum vollflächig ausfüllt. Um den Luftstrom auf die Injektordüsen zu fokussieren, liegt auf den Düsenstöcken ein Schlitzblech, das genau in den Brennkammerquerschnitt eingepasst ist und genau im Bereich der Düsenreihen Schlitze für den Durchlass der vorgewärmten Frischluft aufweist. Da trotz des Schlitzbleches nicht die 100%ige Teilnahme der Luft am Verbrennungsprozeß garantiert ist, ergibt sich immer eine leichte Luftüberschußzahl. Diese ist aber ohnehin erforderlich, da sich ansonsten aufgrund der rekuperativen Luftvorwärmung eine zu hohe Flammtemperatur mit hohem NOx-Anteil und zu hohen Materialbelastungen ergeben würde.
  • Die Brennkammer (10 x-x) mit Schlitzblech (13.x-x), Eintrittsstutzen (11) und Innendämmung (12) ist ein gekantetes und dicht verschweißtes Laserteil und daher sehr kostengünstig herstellbar. Im Gegensatz zur modularen Brennereinheit ist hier eine Standardisierung der Baugrößen inklusive.
  • In 2 sind verschiedene Ausführungs- bzw. Leistungsvarianten der modularen Injektor-Brennereinheit beispielhaft dargestellt. Die Ausführung mit dem Verteilerflansch (6.2) ist für zwei parallele Düsenstockrohre (2) und die mit Verteilerflansch (6.3) für drei parallele Düsenstockrohre (2) ausgelegt. Die Verlängerung der Düsenstockrohre führt bei der Variante mit Verteilerflansch (6.3) bei voller Injektordüsenbestückung zu einer Leistungs- und Heizflächenverdopplung gegenüber der Variante in 1. Die oben dargestellte Brennkammer (10.2-2) ist passend für die verlängerte Variante (6.2) ausgeführt.
  • 3 zeigt beispielhaft die Anwendung des modularen Rekubrennersystems in einer Stirlingmaschine (20) mit gestreckten Erhitzerröhrchen (20.b) für Arbeitsgastemperaturen über 500°C. Die Erhitzerkammer (19) ist hier zweiteilig ausgeführt, um die Brenngase zweimal über die Erhitzerröhrchen zu leiten. Dazu sind von unten zwei Standard-Brennkammern (10.2-1) an die Erhitzerkammer (19) angeflanscht. Auf der heißeren Brennerseite links befindet sich der Arbeits- oder Expansionszylinder (20.a) und auf der kühleren Abgasseite der Regenerator (20.c) mit dem phasenversetzten Kompressionszylinder (20.d). Brenngas und Arbeitsgas durchströmen somit beim Wärmetausch im Gegenstrom die Erhitzerröhrchen (20.b) und die Brennkammer (10.2-1) was bei guter Auslegung dazu führt, dass das Brennabgas auf der Austrittsseite der Brennkammer möglichst wenig Temperaturerhub gegenüber dem Arbeitsgas aufweist. Danach tritt das Brennabgas über das isolierte Auspuffrohr (18) in den speziell berechneten isolierten Plattenwärmetauscher (15) ein. Die Frischluft wird über einen drehzahlgeregelten Niederdruckverdichter (14) angesaugt, danach im Gegenstrom im Plattenwärmetauscher (15) vorgewärmt und über das isolierte Zuluftrohr (17) dem Brenner zugeführt.
  • 4 stellt als Reku-Brennersystem zur Erwärmung von Wärmeträgeröl auf 200 - 350°C eine weitere Anwendung des Grundaufbaus in 3 dar. Das Aufheizen von Wärmeträgeröl wird oft in Großbäckereien genutzt, um mehrere Etagenöfen einer Backstraße mit einem zentralen Gasbrennersystem zu betreiben und evtl. eine nachgeschaltete Heizungsunterstützung bzw. Wassererwärmung zu realisieren. Da die Rücklauftemperatur des Wärmeträgeröls im Vergleich zur Wasserheizung sehr hoch ist, gehen oftmals ohne Rekuperation 15- bis 30% Wärmeenergie mit dem Abgas verloren. Hier befindet sich auf der heißeren Brennerseite links der Ausgangsverteiler (21a) und auf der kühleren Abgasseite der Eingangsverteiler (21.c) mit anschließender Umwälzpumpe (21.d) Brenngas und Wärmeträgeröl durchströmen hier im Gegenstrom die Brennkammer bzw. die Erhitzerröhrchen (21.b). Da die Abgastemperatur im Auspuffrohr (16) hier bis unter die Kondensationsgrenze heruntergebracht werden kann, sollte der Plattenwärmetauscher (15) senkrecht angeordnet werden.
  • 5 stellt einen geschlossenen Strahlungsofen mit Infrarot-Heizfläche (22a) dar, wie er z.B. als vertikaler Hähnchengrill, als Backofen oder als Glühofen zum Einsatz kommen kann. Besonders bei den derzeit offenen Hähnchen- und Dönergrillgeräten ist die Geruchs- und Abwärmebelastung besonders störend und die Effizienz besonders niedrig. Das Grillgut wird nur zyklisch entnommen und muss zwischendurch beobachtet werden. Deshalb ist die Vorderseite hier mit einer durchsichtigen Ofenschutztür (22b) verschlossen. Die linke Ansicht zeigt den Ofen von vorn in Schnittdarstellung im Bereich des Brenngasspaltes. (also ohne Infrarotplatte (22a) und Ofentüren (22b). Der Ofen ist komplett von außen her isoliert (12) mit den tragenden Stahlflächen (22) im Innenbereich. Zur Entnahme des Grillgutes im laufenden Betrieb und zur Reinigung braucht jeweils immer nur eine Seite geöffnet zu werden. Oben auf der Rückseite befindet sich die Brenngasabsaugung (18a) mit isoliertem Abgasrohr (18) zum Plattenwärmetauscher (15) und dem Verdichtergebläse (14) oben am Frischlufteinlass. Da die Abgase nicht verunreinigt den Wärmetauscher verlassen bzw. in einen Kamin geleitet werden, kann auf eine Absauganlage bzw. Klimaanlage im Aufenthaltsraum verzichtet werden. Die vorgewärmte Frischluft gelangt über das isolierte Zuluftrohr (17) in die Standard-Brennkammer (10.2-3), in der sich ein einrohriger verlängerter modulare Injektor-Brennereinheit mit dem Verteilerflansch (6.1) befindet.
  • 6 stellt beispielhaft einen Heißluftofen (23) mit offener Standard-Brennkammer (10.2-2) für den Gastronomiebereich dar, wie er auch aus einer Umrüstung eines üblichen Gas- oder Elektroofens hervorgehen könnte. Durch das ventilatorische Verwirbeln der Ober- und Unterhitze kann beim Umluftverfahren prinzipiell mit 20 - 30°C niedrigerer Ofentemperatur gearbeitet werden. Beim Heißluftofen ist dieser Effekt noch stärker, da hier bereits erhitzte Luft eingeblasen wird. Da das beschriebene modulare Reku-Brennersystem bereits die externe Brennkammer und einen regelbaren Seitenkanalverdichter (14) mit hoher Förderrate beinhaltet, tritt dieser Effekt automatisch ein. Die sauerstoffarmen Brenngase verlassen den Ofenraum normalerweise mit 180 bis 350°C, was bei einer Flammen-Kerntemperatur von ca. 1000°C einem Energieverlust von 20 - 30% entspricht. Durch die Abwärmenutzung wird die erforderliche Brennerleistung zur Aufrechterhaltung der Ofentemperatur um diesen Anteil reduziert. Da hier die Abgase bis unter den Kondensationspunkt abkühlen können, ist der Plattenwärmetauscher (15) vertikal mit der kalten Seite nach unten angeordnet. Zusätzlich befindet sich am Auspuffrohr (16) ein Kondensatorabscheider mit Wasserablass (25). Falls das Brenngut die Brenngase verunreinigt, muss nach der Absaugung (18.a) noch eine Abgasreinigung erfolgen um den nachfolgenden Plattenwärmetauscher nicht zu verunreinigen. Der Ofenraum und die Ofentür (23.a) (evtl. mit Sichtglas) sind je nach Anforderung von innen oder außen komplett isoliert (12) um eine Wärmeabstrahlung zu vermeiden.
  • Ein weiterer Anwendungsfall dieses Ofensystems ist der als Härte- und Glühofen für den kleingewerblichen Bereich. Der Aufbau ist vergleichbar mit typischen Industrieöfen allerdings in einer Größenklasse wo sonst nur eine Elektroheizung üblich ist. Ein Hauptgrund dafür dürfte bisher in der Nichtverfügbarkeit und den hohen Kosten von Industrie-Rekubrennern im unteren Leistungsbereich liegen. Bei der Elektroheizung ist die hohe Ofen-Innentemperatur irrelevant für deren prinzipielle Funktion.
  • Beim Gasbetrieb wären hier Abgastemperaturen von bis zu 1100°C möglich, während die Frischluft in diesem Fall auf etwa 1000°C vorgewärmt werden kann. Nach dem Wärmetausch liegt die Abgastemperatur dann bei ca. 100°C, wodurch sich für den Gasbrenner etwa derselbe Leistungsbedarf ergibt wie bei der Elektroheizung, allerdings zum halben Preis pro kWh. Der Plattenwärmetauscher (15) hat hier eine sehr gestreckte Bauform und besteht aus verschweißtem (gebondetem) Edelstahl. Da er weitgehend drucklos betrieben wird und Edelstahl erst bei 1500°C schmilzt, sollte er mit verstärkter Plattendicke gegen Durchbrennen ausgelegt sein.
  • In 7 ist ein Sicherheits-Gasherd (24) mit vier Standard-Brennkammern (10.3-1) und geschlossenem Reku-Brennersystem dargestellt. Dazu werden nur dort Injektordüsen in die Düsenrohrstöcke (2) eingeschraubt, wo sie den jeweiligen kreisförmigen Topfbereich abdecken. Die restlichen Bohrungen werden mit Stopfen verschlossen. Um jedes Kochfeld separat regelbar zu machen befindet sich darunter jeweils eine, nach oben offene Brennkammer (10.3-1) mit regelbarem Zuluftventil (26) und Gasventil (9). Das Brenngas wird über Gasregelventile (27) zugeführt und auf die einzelnen Kochfelder aufgeteilt. Die vorgewärmte Frischluft wird ebenso über den Zuluftverteiler (17) aufgesplittet. Über allen Brennkammern befindet sich eine gemeinsame isolierte Brenngaszone (24.a), die mit kreisförmigen Ausschnitten in der Größe der jeweiligen Kochfelder versehen ist. Diese Brenngaszone (24.a) ist von oben mit einem Edelstahlblech oder Ceranglas (24.b) gasdicht abgedeckt. Die Brenngasabsaugung erfolgt zentral über das isolierte Abgas-Sammelrohr (18). Der isolierte Plattenwärmetauscher (15) ist mit der kalten Seite nach unten angeordnet. Dort befindet sich auch das Auspuffrohr (16) mit Kondensatabscheider (25).
  • Zur Regelung der einzelnen Kochfelder werden die regelbaren Ventile (9) und (26) zusammen angesteuert. Alle Einstellungen werden zusammengefasst und der Gesamt-Frischluftbedarf im regelbaren Seitenkanalverdichter (14) entsprechend angepasst. Die Brennerzündung erfolgt sicher über Hochspannungs-Zündkerzen wie bei Gas- oder Ölheizungen. Dieser Ofen hat keine offenen Flammen mehr, besitzt interne Gassensoren und ist daher sicherer als ein derzeitiger offener Gasherd oder WOK-Herd. Er ist gegen Verschmutzung und Überkochen resistent und lässt sich leicht reinigen. Er vereinigt somit die Vorzüge von Gasherd (Energiekosten) und Elektroherd (Sauberkeit und Sicherheit) mit zusätzlich höherer Effizienz im Gasbetrieb durch die Abgasrekuperation. Im Gastronomiebereich lassen sich dadurch die Energiekosten um mehr als 50% reduzieren. Die Absauganlagen und Klimaanlagen im Arbeitsraum müssen nur die Kochschwaden, nicht aber die Brenngase umsetzen.
  • Bezugszeichenliste
  • (1)
    Injektordüse
    (2)
    Düsenstockrohr
    (3)
    Kupferdichtring
    (4)
    Verschlussstopfen
    (5)
    Rohradapter
    (6.x)
    Verteilerflansch (x=Düsenstockrohre parallel)
    (7.x)
    Zugankerstange (x=Anzahl Düsenstockmodule)
    (8.x)
    Spannbalken (x=Düsenstockrohre parallel)
    (9)
    Gas-Drosselventil
    (10.xx)
    Standard-Brennkammer (x=Düsenstockrohre parallel - x=Anzahl Düsenstockmodule)
    (11)
    Luft-Eintrittsstutzen
    (12)
    Wärmeinnendämmung
    (13.xx)
    Schlitzblech (x=Düsenstockrohre parallel - x=Anzahl Düsenstockmodule)
    (14)
    Niederdruckverdichter
    (15)
    Plattenwärmetauscher
    (16)
    Auspuffrohr
    (17)
    Zuluftrohr
    (18)
    Abgasrohr
    (18.a)
    Brenngasabsaugung
    (19)
    Erhitzerkammer
    (20.a)
    Expansionszylinder bzw. Arbeitszylinder
    (20.b)
    Erhitzerröhrchen
    (20.c)
    Regenerator
    (20.d)
    Kompressionszylinder
    (21.a)
    Ausgangsverteiler
    (21.b)
    Erhitzerröhrchen
    (21.c)
    Eingangsverteiler
    (21.d)
    Umwälzpumpe
    (22.a)
    Infrarot-Heizfläche
    (22.b)
    Ofenschutztür durchsichtig
    (23)
    Heißluftofen
    (23.a)
    Ofentür abgedichtet
    (24)
    Sicherheits-Gasherd
    (24.a)
    Brenngaszone
    (24.b)
    Kochfeldabdeckung aus Edelstahl oder Ceranglas
    (25)
    Kondensatabscheider
    (26)
    Zuluftventil
    (279
    Gasregelventil
  • 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 60315260 T2 [0007]
    • US 3717993 A [0007]
    • DE 2844521 A1 [0007]
    • DE 19937305 C1 [0007]
    • DE 19919293 C1 [0008]

Claims (13)

  1. Schutzanspruch Modulares Injektor-Gasbrennersystem für den Einsatz in Wärmekraftmaschinen, Öfen und Herden für verschiedene Leistungsgrößen und Heizflächenquerschnitte unter 100 KW, umfassend einen modular aufgebauten Injektor-Gasbrenner, welcher einen Gasverteilerflansch (6.3) mit regelbarem Gaszuführventil (9) aufweist, wobei an dem Gasverteilerflansch (6.3) rohrförmige Düsenstockmodule (2) mit Gas-Injektordüsen (1) angeordnet sind, die an ihrem freiliegenden Ende (xx) mittels eines Verschlussstopfens (4) mit einer Zuganker- Spannvorrichtung (7.x) verschlossen sind, des Weiteren eine flammseitig offene, gasdicht verschweißte Brennkammer (10.x-x) in unterschiedlichen Standarddimensionen, welche auf der flammseitig abgewandten Seite unterhalb der Düsenstockmodule (2) einen Luftanschlussstutzen (11) vorsieht, und mit einem aufliegenden Luftleitblech (13.x-x) über den Düsenstockmodulen (2) mit Durchlässen im Bereich der Injektordüsen (1) ausgestattet ist dadurch gekennzeichnet, dass am Gasverteilerflansch (6.x) flanschseitig Bohrungen vorgesehen sind, um mindestens ein oder mehrere Düsenstockmodule (2) parallel in gleichem Abstand einzustecken.
  2. Schutzanspruch Modulares Injektor-Gasbrennersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenstockmodule (2) an ihren Enden abgedrehte Einsteckpassungen und Dichtungen aufweisen, durch welche sie sowohl in den Gasverteilerflansch (6.x), als auch funktionstauglich zur Verlängerung in das freiliegende Ende eines passenden anderen Düsenstockmoduls (2) gesteckt werden können.
  3. Schutzanspruch Modulares Injektor-Gasbrennersystem nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Düsenstockmodul eine standardisierte Länge, einen festen Durchmesser und eine bestimmte Anzahl von linear gleich beabstandeten Gewindebohrungen aufweist, die optional zur Anordnung der Injektordüsen (1) oder Gewindestopfen bestimmt sind.
  4. Schutzanspruch Modulares Injektor-Gasbrennersystem nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Plattenwärmetauscher (15) mit einem Niederdruckverdichter (14) auf der Frischluftseite zur Vorwärmung der Brenner-Frischluft im Gegenstrom mit den heißen Abgasen, in das Injektor-Gasbrennersystem eingebunden ist.
  5. Schutzanspruch Modulares Injektor-Gasbrennersystem nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Injektor-Gasbrennersystem anbringbar an einer Wärmekraftmaschine zur Erwärmung des Arbeitsmediums genutzt wird.
  6. Schutzanspruch Modulares Injektor-Gasbrennersystem nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Injektor-Gasbrennersystem anbringbar an einer technischen Einheit zum Erhitzen von Wärmeträgeröl genutzt wird.
  7. Schutzanspruch Modulares Injektor-Gasbrennersystem nach Anspruch 5-6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Standard-Brennkammer mit Injektor-Gasbrenner auf der Zuluftseite (17) und eine weitere Standard-Brennkammer ohne Injektor-Gasbrenner auf der Abgasseite (18) angeordnet sind, wobei beide Brennkammern über eine isolierte Umlenkhaube (19), in der sich die Erhitzereinheit (20.b, 21.b) befindet, verbunden sind.
  8. Schutzanspruch Modulares Injektor-Gasbrennersystem nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Inj ektor-Gasbrennersystem für einen Strahlungs-Gasofen (22) ohne offene Flamme mit abgeschlossenem Brennerkreis im Leistungsbereich unter 100 kW für Gastronomie und Kleingewerbe genutzt wird.
  9. Schutzanspruch Modulares Injektor-Gasbrennersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die flammseitig offene Brennkammer (10.x-x) und die Abgasabsaugung (18.a) gegenüberliegend auf der Rückseite des Ofens befinden, und die Brennerabgase in einem Plattenspalt zwischen isolierter Rückwand (22c) und unisolierter Strahlungsplatte (22.a) im Ofen strömen.
  10. Schutzanspruch Modulares Injektor-Gasbrennersystem nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Injektor-Gasbrennersystem in einem Heißluftofen (23) eingesetzt wird, wobei die offenen heißen Brenngase aus der Brennkammer (10.x-x) direkt im Ofenraum zirkulieren.
  11. Schutzanspruch Modulares Injektor-Gasbrennersystem nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Injektor-Gasbrennersystem für einen Sicherheits-Gasherd ohne offene Flamme genutzt wird, wobei eine oder mehrere Brennkammern (10.x-x) in einem durchbrochenen Zwischenboden unterhalb einer Abdeckplatte (24.b) aus Edelstahl- oder Ceranglas im Bereich der Kochfelder angeordnet sind.
  12. Schutzanspruch Modulares Injektor-Gasbrennersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (24.a) zwischen der oberen Abdeckplatte (24.b) und dem unteren Zwischenboden mit den eingesetzten Brennkammern (10.x-x) einen gasdichten Zwischenraum zur zentralen Absaugung der Abgase (18) bildet.
  13. Schutzanspruch Modulares Injektor-Gasbrennersystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Frischluft zentral mit einem regelbaren Niederdruckverdichter (14) auf der Frischluftseite angesaugt, dann mithilfe der Abgase (18) über einen Plattenwärmetauscher (15) im Gegenstrom vorgewärmt und danach über regelbare Luftventile (26) auf die einzelnen Brennkammern (10.x-x) aufgeteilt wird.
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