DE10306229A1

DE10306229A1 - Selektiv ansteuerbare Brennermodule für gasförmige und flüssige Brennstoffe

Info

Publication number: DE10306229A1
Application number: DE10306229A
Authority: DE
Inventors: Daniel Gronych; Timo Gaiser; Klaus Lindner; Elmar Karrar; Hilko Siebels; Hans Rassmusson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2004-08-26
Also published as: EP1597517A1; WO2004072546A1

Abstract

Die Idee/Erfindung betrifft Flammenbrennersysteme, die unter Verwendung von Fertigungsverfahren der Mikrosystemtechnik hergestellt werden. Das System ist modular konzipiert, so dass kleine und große Heizflächen mit annähernd beliebiger Form realisiert werden können. Hierzu werden viele einzelne Module nebeneinander angeordnet. Die Brennstoffversorgung der einzelnen Module wird über ein Schlauchsystem gewährleistet, an das Module mittels eingestochenen Kanülen angeschlossen werden. Je nach innerem Aufbau kann jedes Modul einzeln an- und ausgeschaltet werden. Alternativ wird eine Reihe von Modulen zentral angesteuert.

Description

Lösungsprinzip der Aufgabe
Der Brenner wird aus mehreren einzelnen Modulen aufgebaut. Ein einzelnes Modul zeigen 1a und 1b. Die Ausprägung der einzelnen Flammen ist optimiert und wird konstant gehalten. Die Modulation der Wärmeleistung wird durch eine gezielte An-/Abschaltung definierter Modulgruppen bzw. der einzelnen Module erreicht. Die Geometrie der Brennerdüsen ist im Mikrobereich, so dass eine große Anzahl sehr kleiner Flammen entsteht. Die daraus resultierende große Grenzfläche Flamme/Umgebung sorgt für einen hohen Wärmeübergang. Die einfache und schnelle Montierbarkeit wird durch ein Schienensystem erreicht, welches für die mechanische Befestigung und der Gasversorgung dient.
Vorteile der Erfindung
Gasbrenner stehen zur Zeit für Anwendungen zur Verfügung, bei denen ein großflächiger Wärmeübergang erwünscht ist. Prinzipiell muss in Systemen mit einer Trennung von Brennstoffzuleitung und Brenner und in solche mit integrierter Funktion unterschieden werden. Bei letzteren besteht das System aus Rohren mit Löchern in periodischen Abständen als Brennerelementen. In den meisten Fällen werden Brennstoff und Luft/Sauerstoff nicht vorgemischt. Herkömmliche Gasbrenner weisen große Flammen auf (einige Zentimeter bis mehrere Meter), so dass ein großer Brennraum benötigt wird.
Bei bisherigen Flammenbrennern wird die abgegebene Wärmeleistung durch eine Änderung der Gasmenge reguliert. Dadurch findet die Verbrennung nicht immer im optimalen Wirkungsgradbereich statt. Die Modulation der Wärmeleistung wird dadurch nur unbefriedigend ermöglicht. Des Weiteren resultiert durch eine Änderung der Gasmenge eine Änderung der Flammenhöhe. Ein veränderter Abstand zwischen Flamme und Wärmetauscher verschlechtert dabei den Wirkungsgrad des Systems Brenner/Wärmetauscher.
Brennergeometrien sind nur bedingt an den Wärmetauscher anpassbar. Eine Ansteuerung definierter Brennerflächen erfordert einen hohen planerischen Aufwand.
Der modular aufgebaute Mikrobrenner zeichnet sich durch einen sehr hohen und konstanten Wirkungsgrad, eine große Modulation der Wärmeleistung sowie der Möglichkeit beliebige Brennergeometrien zu bilden, aus. Der ständige Betrieb der Brennennodule im optimalen Bereich sorgt für einen hohen Wirkungsgrad der Verbrennung. Durch den konstanten Abstand der Ffammen zum Wärmetauscher erhöht sich der Wirkungsgrad des Systems Flamme/Wärmetauscher. Beides birgt ein Potential zur Energieeinsparung. Durch die gezielte Ansteuerung von Modulgruppen bzw. einzelner Module lässt sich eine nahezu stufenlose Modulation der Wärmeleistung erzielen. Die Verwndung von Brennermodulen ermöglicht es, diese in beliebiger Anordnung und Größe an der Trägerstruktur zu befestigen. Dadurch lassen sich sowohl in der Ebene als auch im Raum verschiedenste Brennergeometrien und Wärmeleistungen erzeugen.
Beschreibung
Das Brennennodul (2 und 3)

1: Modulgehäuse mit Brennerdüsen
2: Störkörper
3: Diffusor mit Mischrohr
4: Platte mit Kanüle für Gasanschluß und düse für Injektor, Bauraum für Gasventil
5: Wärmebeständiger und gasdichter Schlauch
6: Matallschiene als Trägerstruktur für Brennermodule und Befestigung des Systems mit der Umgebung, außerdem Bewehrung für Gasschlauch

Das System Mikrobrenner besteht aus 3 Baugruppen:

– Brennennodul, das aus den aus Keramik (z.B. Zirkonoxid) spritzgegossenen Einzelteilen (1), (2), (3) und (4) besteht.
– Wärmebeständiger und gasdichter Schlauch (5).
– Trägerstruktur, eine aus Blech gestanzte Schiene (6). Des Weiteren befindet sich an den Stirnseiten der Trägerstruktur eine Vorrichtung zur Verteilung des Gasstromes und ein eigensicheres Gasventil mit integrierter Not-Aus Funktion.

In dem Schlauch (5) befindet sich brennbares Gas unter Überdruck, welches durch die Kanüle zur Mischdüse geleitet wird. Der verengte Querschnitt der Mischdüse sorgt für eine Beschleunigung des Gases. Unter der Freistrahlbedingung vermischt sich das Gas mit der Luft, die durch Öffnungen in der Trägerstruktur (6) und der Oberseite der Kanüle in das Modulgehäuse gesaugt wird. Hinter dem Mischrohr (3) wird das Gas/Luftgemisch den Brenndüsen im Modulgehäuse zugeführt. Die Zündung erfolgt durch an der Stirnseite des Brennersystems angebrachte elektrische Zündeinheiten. Der lückenlose Aufbau des Brennersystems sorgt für eine Durchzündung aller Module. Ein Flammenrückschlag wird durch die Geometrie der Brenndüsen vermieden.
Es ist in der Kanüle (4) ein Gasventil integriert, so dass gezielt einzelne Module angesteuert werden können. Dadurch ergibt sich eine nahezu stufenlose Modulation der Wärmeleistung sowie eine lokal definierte Abgabe von Wärme. Eine zweite Version des Bauteils (4) ist auch ohne ein integriertes Ventil vorgesehen. Die Modulation wird dann durch Steuerung von äußeren Ventilen erreicht.
Zur Montage des Brennersystems (4) werden die drei aus Keramik spritzgegossenen Teile (1), (2), (3), (4) miteinander verbunden. In die aus Blechstreifen hergestellte Trägerstruktur (6) wird ein wärmebeständiger und gasdichter Schlauch (5) gelegt: Bei der Montage wird die Kanüle (4) in den Schlauch gestochen, gleichzeitig wird das Modulgehäuse (1) in der Trägerstruktur arretiert. Die Arretierung wird in dieser Lösung durch Clipsen erreicht, aber auch alternative Lösungen wie zum Beispiel Verkleben sind möglich. Durch die seitliche und untere Fixierung des Schlauches in der Trägerstruktur sowie des Überdruckes im Schlauch entsteht im oberen Bereich eine konstante Flächenpressung an die Kanüle, so dass eine Dichtwirkung erreicht wird.
Mehrere Trägerstrukturen (6) werden verbunden, um eine seitliche Ausdehnung des Brennersystems zu erreichen. Die Ausdehnung in Längsrichtung erfolgt durch eine hinreichend lange Trägerstruktur. Durch eine geeignete Formgebung der Trägerstruktur lassen sich beliebige Geometrien des Brennersystems ermöglichen. Hierdurch lassen sich neben ebenen auch gekrümmte Flächen beheizen, z.B. Rohrquerschnitte. Für das Brennermodul sind auch andere geometrische Bauformen möglich, auf Seite 5 ist ein Beispiel für eine alternative Bauform für das Brennermodul dargestellt.

Claims

Fluidbrenner, insbesondere Gasbrenner, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Mehrzahl an einzelnen Brennermodulen mit einer gemeinsamen Fluidversorgung umfaßt, wobei die Brennermodule durch Verbinden mit bzw. durch Trennen von der Fluidversorgung einzeln und/oder in Gruppen zu- bzw. abschaltbar sind.
Fluidbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Brennermodul einen im wesentlichen identischen Aufbau besitzt und mit einem im wesentlichen konstanten Fluidstrom beaufschlagbar ist.
Fluidbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidstrom zumindest einiger, insbesondere sämtlicher, Brennermodule gemeinsam einstellbar ist.
Fluidbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennermodule durch Steuerventile mit der Fluidversorgung verbindbar bzw. von dieser trennbar sind.
Fluidbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Brennermodul jeweils ein Steuerventil zugeordnet ist.
Fluidbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Gruppen von Brennermodulen jeweils ein Steuerventil zugeordnet ist.
Fluidbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennermodule an einer Trägerstruktur, insbesondere an einer Schiene, lösbar festlegbar sind.
Fluidbrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Brennermodule an einer gemeinsamen Trägerstruktur, insbesondere an einer Schiene, lösbar festlegbar sind.
Fluidbrenner nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Brennermodul an einem separaten Trägerstrukturteil festlegbar ist, wobei die Trägerstrukturteile aneinander oder an einer gemeinsamen Trägerstruktur, insbesondere an einer Schiene, festlegbar sind.
Fluidbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidversorgung wenigstens einen fluiddichten Schlauch aufweist.
Fluidbrenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch in der Trägerstruktur aufgenommen ist.
Fluidbrenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch mittels einer als Fluidanschluß dienenden Kanüle mit dem jeweiligen Brennermodul in Ver bindung steht.
Fluidbrenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanüle an einem an der Trägerstruktur festlegbaren Halteteil des Brennermoduls angeordnet ist.
Fluidbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennermodule ein Gehäuseteil mit wenigstens einer Brennerdüse aufweisen.
Fluidbrenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseteil eine Mehrzahl an Mikrodüsen aufweist.
Fluidbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennermodule ein Diffusorteil, insbesondere in Form einer Venturi-Düse, aufweisen.
Fluidbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennermodule ein Verwirbelungselement aufweisen.
Fluidbrenner nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der Brennermodule lösbar aneinander festlegbar sind.
Fluidbrenner nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der Brennermodule miteinander verklebbar sind.
Fluidbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Brennermodul oder Gruppen von Brennermodulen eine Zündeinheit zugeordnet ist.
Brennermodul eines Fluidbrenners nach einem der Ansprüche 1 bis 20.
Verfahren zur Steuerung eines Fluidbrenners, insbesondere Gasbrenners, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Brennermodule des Fluidbrenners entsprechend der gewünschten Wärmeleistung einzeln und/oder in Gruppen zu- bzw. abgeschaltet werden, indem sie von einer gemeinsamen Fluidversorgung, insbesondere mittels Steuerventilen, getrennt bzw. mit dieser verbunden werden.