DE19681671B4

DE19681671B4 - Pulsationsbrenner und Wärmetauscher hierfür

Info

Publication number: DE19681671B4
Application number: DE19681671T
Authority: DE
Inventors: Mehrzad Vancouver Movassaghi
Original assignee: Fama Holdings Ltd
Current assignee: Fama Holdings Ltd
Priority date: 1995-11-29
Filing date: 1996-03-05
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2016-03-06
Also published as: DK177564B1; CH693464A9; JP3670020B2; US6035810A; DK72598A; SE522084C2; AU4781296A; ATA910396A; GB9811684D0; GB2323662B; DE19681671T1; SE9801925L; AT407293B; WO1997020171A1; AR004827A1; CH693464A5; GB2323662A; SE9801925D0; JP2000500562A

Abstract

Pulsationsbrenner aufweisend:
(a) eine Brennkammer (20);
(b) eine erste Wandung (12), die als Kühlmittel-Rohranlage ausgebildet ist, die sich spiralförmig gewunden von der Brennkammer (20) weg nach außen erstreckt;
(c) eine zweite Wandung (13), die von der ersten Wandung (12) beabstandet ist, wobei die zweite Wandung als Kühlmittel-Rohranlage ausgebildet ist, die sich spiralförmig gewunden von der Brennkammer (20) weg nach außen erstreckt, wobei die Brennkammer mittig zwischen der ersten und der zweiten beabstandeten Wandung (12, 13) angeordnet ist;
(d) einen Endrohrbereich (15) zwischen der ersten und der zweiten Wandung;
(e) einen Einlass (18) in die Brennkammer (20);
(f) eine Brennstoffdüse (19), die an den Einlass (18) angeschlossen ist, wobei die Brennstoffdüse eine Vielzahl von Brennstoffkanälen (35) umfasst, die um eine Achse der Brennstoffdüse herum radial beabstandet sind; und
(g) einen Zündfunkenerzeuger, der eine Elektrode (33) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (33) eine...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Pulsationsbrenner nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und einen Wärmetauscher, der im Wesentlichen kontinuierlich arbeitet, aufweisend den Pulsationsbrenner.
Ein Pulsationsbrenner ist eine Vorrichtung, in der ein Luft- und Brennstoffgemisch anfänglich entzündet wird, beispielsweise durch einen Zündstab. Die gezündeten Gase expandieren rasch mit einem damit verbundenen schnellen Druck- und Temperaturanstieg. Eine resultierende Druckwelle bewegt sich entlang der Vorrichtung, wodurch die verbrannten Gase in einem Auslassbereich ausgestoßen werden. Der Wärmeübergang erfolgt dabei an den Wänden der Vorrichtung, die die Gase abkühlen und den nach Durchgang der Druckwelle auftretenden Druckabfall steigern. Dieser Druckabfall aufgrund der Expansion der Gase, verbunden mit der Abkühlung, die durch den Wärmetausch an den Wänden erzeugt wird, verursacht, dass neue Gase in die Verbrennungskammer eingezogen werden. Gleichzeitig kehrt sich in dem Auslassbereich die Strömung um und verdichtet die neue Luft und das Gasgemisch, so dass zusammen mit der immer noch hohen Temperatur in der Verbrennungskammer erneut eine Zündung auftritt.
Die US 49 68 244 A beschreibt einen Pulsationsbrenner mit einer radialen Auslasskammer und einem Vergaser, der an die Verbrennungskammer angekuppelt ist, um eine vorbestimmte Verteilung an Brennstoffgemisch in die Verbrennungskammer einzuspritzen. Die Auslegung des Gehäuses der Auslasskammer umfasst eine innere Scheibe und eine äußere Scheibe, die mit einer Innenscheibe und einer Außenscheibe auf jeder Seite der Brennkammer überlagert sind. Die Auslasskammer weist eine Spiralrille in der inneren Scheibe auf, die durch die Außenplatte abgedeckt ist, um einen Kühlmitteldurchgang zu bilden. Die Verwendung von einer Scheibe und einer damit verbundenen Platte zusammen mit einer Spiralrille in der Scheibe gestaltet die Konstruktion schwierig und teuer. Weiterhin belastet das schnelle Aufheizen und Abkühlen die Verbindung zwischen der Scheibe und der Platte, so dass die Einrichtung zu Kühlmittelverlusten neigt. Schließlich kommt zu den Kosten dieser Einrichtung noch der aufwendige Aufbau des Vergasers hinzu.
Die EP 0 317 178 A1 des Anmelders Davair Heating Limited offenbart einen Brenner mit einer Verbrennungskammer, um die ein kapazitätsarmer Wärmetauscher angeordnet ist. Ein Temperaturfühler ist an einen Ausfluss für erhitztes Wasser aus dem Wärmetauscher angeschlossen, und ein zweiter Temperaturfühler ist an einen Rücklauf für gekühltes Wasser in den Wärmetauscher angeschlossen. Die Temperaturmessungen von den Temperaturfühlern werden zu einem elektrischen Schaltkasten übertragen. Eine mit dem elektrischen Schaltkasten verbundene Motordrehzahl-Steuereinheit spricht auf ein wachsendes Temperaturdifferential an, indem sie den Motor eines Gebläses beschleunigt und dadurch die Luftmenge in der Luftkammer erhöht. Ein Luftdruckmessrohr, das in die Luftkammer hineinreicht, erfasst den Luftdruck durch Druckbelüftung einer Seite einer Membran. Dementsprechend ändert die Membran den Gasstrom mittels eines Gasreglerventils entsprechend. Obwohl in der EP 0 317 178 A1 die Einrichtung zur Steuerung des Gas-/Luft-Brennstoffverhältnisses relativ einfach ist, wird dort kein Rückkopplungssystem zur Reduzierung von Ungenauigkeiten aufgrund bestimmter Faktoren verwendet, wie ein nichtlinearer Anstieg des Luftdrucks als Funktion einer steigenden Gebläsedrehzahl oder die Stellung des Lufteinlasses 30. Es gibt keine Messung des Luft- oder Gasstromdrucks und keine Steuereinheit oder Gasmassenregler zur Steuerung dieser Drücke oder ihrer Verhältnisse als Funktion solcher Messungen. Schließlich werden Luft und Gas bei Davair nicht vorgemischt. Ein Ende der Luftkammer ist zur Brennkammer hin offen. Die Gasleitung führt das Gas ohne Vormischung des Gases mit der Luft direkt in einen Flammenring hinein.
In der JP 58-85016 A des Patentinhabers Matsushita Denki Sangyo KK weist ein Wärmetauscher einen Luftmessfühler und einen Gasmessfühler auf, um die einem Brenner zugeführte Luft- bzw. Gasmenge zu erfassen. Als Reaktion auf eine zu große zugeführte Luftmenge wird die dem Brenner zugeführte Gasmenge geändert. Die Drehzahl eines Gebläses bestimmt die zugeführte Luftmenge, und das Gebläse wird durch Signale von einem Temperaturfühler gesteuert, der an den Ausgang des Wärmetauschers angeschlossen ist. Die Messungen von dem Luftmessfühler und dem Gasmessfühler werden an eine Gasdurchflussleistungssteuereinheit geschickt, die das Schließen und Öffnen eines Steuerventils in der Gasleitung steuert. Im Vergleich zur EP 0 317 178 A1 ist die Steuerung des Luftstrom-/Gasstromverhältnisses in der JP 58-85016 A genauer. In den zu einem Brenner führenden Luftstrom wird Gas eingespritzt. Da die Gasleitung Gas in einen Bereich des Luftstroms entlädt, wo der Druck gemessen wird, kann der Luftstromsensor die Stärke des Luftstroms überschätzen. Es ist auch offensichtlich, dass das Brennersystem durch nicht von dem Wärmetauscher gesammelte Ausstrahlung und Übertragung erheblich an Wärme verliert.
In anderen bekannten Wärmeerzeugersystemen unter Verwendung eines Wärmetauschers oder Ofens wird die Steuerung durch Ein- und Ausschalten des Wärmeerzeugersystems erreicht. Wenn die Temperatur einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, wird das System abgeschaltet und abgekühlt. In ähnlicher Weise wird das System wieder gestartet, sobald die Kühlung die Temperatur unter einen Grenzwert verringert hat. In offensichtlicher Weise sind in einem solchen Steuerungssystem Erwärmungen über einen Grenzwert beim Aufheizen und Abkühlungen unterhalb eines Grenzwertes beim Abkühlen enthalten. Der immerwährende Kreislauf zwischen den Temperaturen beim Abschalten und Einschalten trägt zu hohen thermischen Belastungen bei, die die Lebensdauer des Materials reduzieren.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen preisgünstigeren, effizienteren und zuverlässigeren radialen Pulsationsbrenner als bekannt zu schaffen. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher unter Verwendung des vorstehenden Pulsationsbrenners zu schaffen, wobei die Steuerung der Ausgangstemperatur kontinuierlich vorgenommen werden kann.
Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 8 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Dazu wird ein Wärmetauscher bereitgestellt, der im Wesentlichen kontinuierlich arbeitet, aufweisend einen Brenner zur Verbrennung eines Luft-/Gasgemisches, eine Geschwindigkeitssteuerungseinheit, die mit einem Gebläse mit variabler Drehzahl verbunden ist, welches einen Luftstrom an eine Luftleitung bereitstellt, einen Temperatursensor, der die Temperatur eines Kühlmittels nach Passieren des Brenners misst und die Temperaturmessung an die Geschwindigkeitssteuereinheit übermittelt, und Wärmeaustauschleitungen, die um den Brenner laufen, um Kühlmittel darüberzuführen, welches Wärme aus dem Brenner absorbiert. Der Wärmetauscher schließt auch eine Einrichtung zum Mischen von Luft aus der Luftleitung mit dem Gas aus der Gasleitung und zum Leiten des Gemisches zu dem Brenner ein, sowie eine Einrichtung zur Reduzierung der Gasstrommenge in einer Gasleitung unter Ansprechen auf eine Reduzierung des Luftstroms in der Luftleitung, so dass das Verhältnis von Luft zu Gas, das zur Brennkammer strömt, konstantgehalten wird. Dabei ist ein einziger Temperaturgrenzwert festgelegt, so dass die Gebläsegeschwindigkeit reduziert wird, wenn die Temperatur des Kühlmittels beim Wärmetauscherauslass sich dem Grenzwert nähert, wodurch eine Reduzierung der Gasströmung veranlasst wird, so dass die Strömung des Luft-/Gasgemisches in die Brennkammer reduziert wird, wodurch die Energieabgabe der Verbrennung abgesenkt wird. Somit wird der Brenner normalerweise nicht abgeschaltet, sondern lediglich mit einer gesteuerten Masse des Gas-/Luftgemisches betrieben.
Bevorzugt weist die Einrichtung zur Reduzierung des Gasstroms eine Einrichtung zur Messung eines Druckdifferentials in jeder der Gas- und Luftleitungen auf, sowie einen Gasmassen-Durchflussregler in der Gasleitung, der zur Steuerung des Gasstroms abhängig von dem Verhältnis der Differenzdruckmessungen in der Luftleitung zu demjenigen in der Gasleitung wirksam ist, so dass bei einer Reduzierung des Luftstroms auch der Gasstrom reduziert wird.
In vorteilhafter Weise gehört der Brenner des Wärmetauschers zu der Art mit einer zentralen Verbrennungskammer in einem Zentrum zwischen zwei voneinander beabstandeten Wänden und einem Endrohrbereich, der sich von der Brennkammer weg nach außen erstreckt. Bevorzugt sind die beiden voneinander beabstandeten Wandungen als spiralförmig gewundene Kühlmittelrohranlage ausgebildet. Das Kühlmittelrohr bietet eine viel größere Wärmeübergangsfläche, während gleichzeitig die Konstruktion des Brenners beträchtlich vereinfacht wird. Damit ein Kühlmittelleck bei einem solchen Aufbau auftreten könnte, müsste somit in dem Rohr selbst ein Loch vorliegen. An einem Einlass der Verbrennungskammer ist eine Brennstoffdüse angeordnet, sowie ein Zündfunkengenerator in der Brennkammer und in der Nähe der Düse vorgesehen, um den Brennstoff beim Einlass in den Pulsationsbrenner während des Anlaufbetriebes zu entzünden. Bevorzugt besitzt der Brenner einen radialen Aufbau mit einer kreisförmigen Brennkammer und einem kreisförmigen Endrohrbereich, der die Brennkammer umgibt. Jedoch können auch andere Gestaltungen verwendet werden, beispielsweise eine allgemein rechteckige Brennkammer mit abgerundeten Ecken und einer ähnlichen Gestaltung für den Endrohrbereich, der die Brennkammer umgibt. Aneinanderliegende Rohre werden zusammengeschweißt, so dass es zwischen den Rohren keine Leckage von Auspuffgasen gibt.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung vorteilhafter Ausführungsformen im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung, wobei:
1 eine Vorderansicht des radialen Pulsationsbrenners ist;
2 eine Draufsicht auf den radialen Pulsationsbrenner ist, wobei die Einlass- und Auslass-Kühlmittelrohre gezeigt sind;
3 eine Draufsicht auf den radialen Pulsationsbrenner ist, wobei die Einlass-Kühlmittelrohre gezeigt sind;
4 eine Querschnittsdarstellung des Pulsationsbrenners ist, wobei der Abstand zwischen den Wandungen der Leitungen gezeigt ist;
5 eine Querschnittansicht durch die Düse ist;
6 eine Endansicht der Düse ist;
7 eine Vorderansicht auf eine Wärmetauscheranordnung mit eingebautem Brenner ist, wobei die Frontabdeckung entfernt ist;
8 eine perspektivische Ansicht des Wärmetauschers ist, wobei die Kühlmitteleinlässe und -auslässe und das Gebläse gezeigt sind;
9 eine zweite Perspektivansicht des Wärmetauschers ist, wobei der Massen-Durchflussregler und die Verbindung zu der Brennkammer des radialen Pulsationsbrenners gezeigt sind;
10 eine schematische Diagrammdarstellung ist, wobei das Wärmetauschersteuersystem gezeigt ist; und wobei
11 eine Seitenansicht der Düsenanordnung ist.
Bezugnehmend auf die 1 bis 4 ist der radiale Pulsationsbrenner 10 dargestellt, der von einem Paar von voneinander beabstandeten Wandungen 12 und 13 gebildet ist, wobei jede Wandung aus einem spiralförmigen Kühlmittelrohr gebildet ist, das sich von einem zentralen Auslassrohr 16 ausgehend zu einem äußeren Einlassrohr 14 spiralförmig windet. Das Kühlmittelrohr besteht aus rostfreiem Stahl. Die Wandungen 12 und 13 sind an zwei zentrale Platten 17 und 21 angeschweißt. Ein Einlass 18 (Gasdüsen-Aufnahme) ist im Zentrum der kreisförmigen Platte 17 (vgl. auch 4) gebildet, die in die Mitte der Wandung 12 in eine Brennkammer 20 eingesetzt ist, die durch die Platten 17 und 21 und einen konischen Bereich 82 der Wandungen 12 und 13 begrenzt ist. Laschen 69, die am Außenumfang der Rohr-Wandungen 12 und 13 angeschweißt sind, dienen als Befestigungsmittel für den Pulsationsbrenner 10 und zur Einhaltung eines vorbestimmten Abstands zwischen den Wandungen 12 und 13. Zwischen jedem Satz der Laschen 69 wird ein Abstandshalter (nicht gezeigt) eingesetzt, so dass der erforderliche Spalt zwischen den Wandungen 12 und 13 eingehalten wird. Die Innenfläche der Platte 21 weist eine kegelförmige Oberfläche 11 auf, die dem Einlass 18 gegenüberliegt. Die kegelförmige Oberfläche 11 verteilt die Flamme nach außen hin durch die Brennkammer 20 hindurch. Der Zwischenraum zwischen den Wandungen 12 und 13 wird als Endrohrbereich 15 bezeichnet. Dabei tritt Wasser in jedes Einlassrohr 14 der Wandungen 12 und 13 am Außenumfang ein und tritt im Zentrum durch das Auslassrohr 16 aus, so dass ein Gegenstrom-Wärmetauschprozess stattfinden kann.
Abschaltventile 22 und 22a erlauben das manuelle Schließen des Durchflusses in und aus der Kühlmittelrohranlage. Der Durchmesser des Pulsationsbrenners 10 ist ungefähr 113 cm und so ausgelegt, dass die Rücklaufwellen nach Erreichen des Außenumfangs des Endrohrbereiches 15 und zurück zu der Brennkammer 20 dann die Brennkammer 20 erreichen, wenn eine neue Ladung des Luft-/Gasgemisches in die Brennkammer 20 eingezogen ist. Der Abstand der Wandungen 12 und 13 ist ungefähr 10 mm, während die Seitenwände der Brennkammer 20 um etwa 25° zu einer durch den Endleitungsbereich parallel zu den Wandungen 12 und 13 verlaufenden Ebene geneigt sind. Die Breite der Brennkammer 20 beträgt ungefähr 60 mm und ihr Durchmesser etwa 320 mm.
Unter Bezugnahme auf die 5, 6, 8 und 11 weist die Brennstoffdüse 19 einen abgesetzten Bereich 54 mit reduziertem Durchmesser auf, der in den unteren Abschnitt des Einlasses 18 passt. Das Düseninnere besitzt an einem Ende ein Gewinde 28, das entsprechend einem Außengewinde (nicht gezeigt) einer Reduzierleitung 61 (vgl. 11) übereinstimmt. Die Reduzierleitung 61 kuppelt dabei die Brennstoffdüse 19 an eine Leitung 31 an. Eine geschraubte Endkappe 83 mit einer Schrauböffnung zur Ausrichtung mit dem Gewinde des Zündstabes 32 richtet den Zündstab 32 zu der Brennstoffdüse 19 aus. Ein langer Isolationsstab 26 als Teil des Zündstabes 32 ragt dabei in die Düse 19 hinein. Vom Ende des Isolationsstabes 26 ragt eine Elektrode 33 heraus und ist hakenförmig umgebogen, so dass ihr Endpunkt bündig mit einem von mehreren radial voneinander beabstandeten Brennstoffkanälen (Einspritzbohrungen) liegt, die in einer Vertiefung 24 enden, so dass eine augenblickliche Verbrennung des Luft-/Gasgemisches erreicht wird. Ein ringförmiger Innenvorsprung 54 (vgl. 5) ist dabei nach innen auf das Ende der Brennstoffdüse 19 abgewinkelt.
Unter Bezugnahme auf 7 ist dort der Pulsationsbrenner 10 innerhalb eines Gehäuses 30 montiert, wobei seine Auslassrohre 16 (Wasserauslassrohre) durch eine obere Abdeckung 36 des Gehäuses 30 hindurch verlaufen. Muttern bzw. Schraubbolzen (nicht gezeigt) erstrecken sich durch Klammern 86 auf der Vorder- und Rückseite des Gehäuses 30 und durch die Laschen 69 und Abstandshalter (nicht gezeigt) hindurch. Unter Bezugnahme auf die 8 und 9 verbindet eine (Luft-)Leitung 48 einen Auslass 53 von dem Gebläse 40 mit einem T-Stück der Leitung 49. Die Leitung 49 ist wiederum an die Leitung 31 angeschlossen. Die Vermischung des Gases und der Luft erfolgt in der Leitung 49 als Einrichtung zum Mischen von Luft. Ein Gasmassen-Durchflussregler 44 als Einrichtung zur Reduzierung des Gasstromes und ein Gasabschaltventil 52 sind zwischen einer mit der Gasversorgungsleitung (nicht gezeigt) verbundenen Gasleitung 42 und einer Gaszuleitung 59 angeordnet. Die Zuleitung 59 ist wiederum über eine Kupplung 55 an die Leitung 46 angeschlossen. Die Leitung 46 ist an das T-Stück der Leitung 49 angeschlossen. Durchflusssensoren 58 überwachen die Kühlmittelströmung durch die Rohre der Wandungen 12 und 13.
An der Oberseite des Gehäuses 30 sind Kühlmittelleitungen 23 und 25 an entsprechende Auslassrohre 16 des Pulsationsbrenners 10 angeschlossen, während Kühlmittelleitungen 27 und 29 an entsprechende Einlassleitungen 14 angeschlossen sind. Ein Schalter 39 für den oberen Temperaturgrenzwert ist an ein Sammelrohr 34 angeschlossen. Das Sammelrohr 34 verbindet die Kühlmittelleitungen 23 und 25. Ein Thermoelement 62 ist an das Sammelrohr 34 angeschlossen, um die Temperatur des Kühlmittels zu messen, nachdem es den Pulsationsbrenner 10 passiert hat. Durchflusssensoren 56 und 58 sind an den Einlass der Kühlmittelleitungen 27 bzw. 29 angeschlossen und erfassen den Kühlmitteldurchfluss in die Kühlmittelleitungen 27 und 29 vom Sammelrohr 36 aus. Ein innerhalb eines Steuerschrankes 87 untergebrachtes Steuergerät 50 (vgl. 10) ist an das Gebläse 40, den Zündstab 32 und verschiedene Relais und Schalter angeschlossen, um den Betrieb des Systems zu steuern. Ein Schacht 47 (vgl. 8) ist in der Mitte der Rückseitenabdeckung vorgesehen, um den Auslass der Verbrennungsprodukte aus dem Gehäuse 30 zu ermöglichen.
Unter Bezugnahme auf 10 umfasst das gesamte Wärmetauscher-Steuersystem das Gebläse 40 mit einem Auslass 53, der an die Leitung 48 angeschlossen ist, in der eine Blende 51 zur besseren Vermischung der Luft mit dem Gas vorgesehen ist. Der Druck wird an einer Stelle A1 stromaufwärts von der Blende 51 und an einer Stelle A2 stromabwärts von der Blende 51 erfasst. Eine zweite Blende in dem in der Gaszuleitung 59 eingesetzten Verbindungsbogen 55, der somit mit dem Auslass des Gasmassen-Durchflussreglers 44 verbunden ist, verursacht einen Druckaufbau in der Gaszuleitung 59, nachdem das Gas in die Leitung 46 eintritt. Der Druck wird an einer Stelle G1 vor der zweiten Blende in dem Verbindungsbogen 55 und an einer Stelle G2 nach der zweiten Blende erfasst. Der Druck an den Stellen A1 A2, G1 und G2 wird kontinuierlich durch den Massendurchflussregler gemessen, und basierend auf den Differentialen A1–A2 und G1–G2 wird der Gasdurchfluss durch den Regler für ein entsprechendes Luft-/Gasverhältnis in der Mischkammer innerhalb des T-Stücks 49 automatisch eingestellt.
Eine Flammensonde 41 ist mit ihrem Sensorelement innerhalb der Brennkammer 20 angebracht und durch die Leitung 37 an das Steuergerät 50 angeschlossen. Die Flammensonde 41 erfasst die Anwesenheit von Flammenbildung in dem Pulsationsbrenner 10 und sendet entlang der Leitung 37 ein entsprechendes Signal zur Information des Steuergerätes 50.
Das Steuergerät 50 ist über einen Luft-Differenzdruckschalter 68, einen Wasser-Durchflussschalter 70 und den Schalter 39 für die Festlegung des oberen Temperaturgrenzwertes an einen Kontakt eines Relais 80 angeschlossen. Das andere Kontaktstück des Relais 80 ist an einen Ausgang eines Transformators 76 angeschlossen, der an die Versorgungsspannung angeschlossen ist. Der zweite Ausgang des Transformators 76 ist über einen Thermostat 74 an das Steuergerät 50 angeschlossen. Eine Geschwindigkeitssteuerungseinheit 60 ist über einen weiteren Kontakt des Relais 80 an das Gebläse 40 angeschlossen, sowie an einen Ausgang einer Temperatursteuerung 64 und an Versorgungsspannung. Die Temperatursteuerung 64 ist an ein Zeitrelais 66 und das Thermoelement 62 angeschlossen, das die Temperatur des Auslass-Kühlmittels von dem Pulsationsbrenner 10 erfasst. Der Transformator 76 setzt die Versorgungsspannung stufenweise auf 24 V Wechselspannung. Der zweite Ausgang des letztgenannten Kontaktes des Relais 43 ist mit dem zweiten Magnetanschluss des Gasventils 52 verbunden. Ein Kontakt der Sekundärseite des Transformators 76 ist mit dem Zeitrelais 66 verbunden, während der andere Ausgang direkt mit dem Relais 43 verbunden ist. Wenn somit das Relais 43 aktiviert wird und seine Kontakte geschlossen sind, ist der Ausgang des Transformators 76 an das Zeitrelais 66 gelegt. Vor dem Abschalten veranlasst der Ausgang des Zeitrelais 66, wie auf den Leitungen 57 durch die Temperatursteuerung 64 erfasst, dass das Gebläse 40 mit niedriger Durchströmung betrieben wird.
Ein Luft-/Gasgemisch, das in die Brennkammer 20 durch die Brennstoffdüse 19 eintritt, wird durch einen Zündfunken vom Ende der Elektrode 33 entzündet. Die resultierende Entflammung des Luft-/Gasgemisches verursacht einen plötzlichen Druckanstieg in der Brennkammer 20, so dass radial nach außen zum Außenumfang der Windungen verlaufende Druckwellen erzeugt werden. Diese plötzliche Expansion der Gase zusammen mit der Abkühlung mittels des Wärmeübergangs an den Wandungen 12 und 13 aufgrund des Wasserdurchflusses verursacht einen Unterdruck (unterhalb Atmosphärendruck) innerhalb der Brennkammer 20. Zur gleichen Zeit gelangen die Druckwellen der Verbrennungsprodukte am Außenumfang der Leitungen bzw. Windungen zum Stillstand, werden in ihrer Richtung umgekehrt und laufen dann in Form von Rückstoßwellen auf die Brennkammer radial nach innen zu. Diese Rückstoßwellen verdichten das neue Luft-/Gasvolumen vor, wobei das neue Luft-/Gasvolumen ohne erneute Zündung von der Elektrode 33 verbrannt wird, da die Temperatur innerhalb der Brennkammer 20 immer noch hoch ist, so dass der Verbrennungsprozess wiederholt wird.
Beim Anlaufen wird zunächst der Wasserzufluss in jedes der Rohre der Wandungen 12 und 13 zunächst durch Schließen des Abschaltventils 22 und Öffnen des Abschaltventils 22a eingeleitet, so dass das Kühlmittel zunächst gezwungen wird, durch nur eine Wand der Wandungen 12 und 13 zu fließen, und dann auch das Abschaltventil 22 geöffnet wird, um das Kühlmittel durch die andere Wandung 12 bzw. 13 zu zwingen. Diese Vorgehensweise stellt sicher, dass in jeder Wandung des Pulsationsbrenners 10 eine Strömung vorliegt.
Sobald das Wasser fließt, wird der Versorgungsschalter 88 eingeschaltet. Der Thermostat 74 wird dann eine Erwärmung anfordern. Die Anschlüsse 4 und 5 an dem Folgeschalter 80 werden geschlossen, und das Gebläse 40 läuft an. Nach 45 Sekunden schließen die Anschlüsse 1 und 3 an der Folgeschaltung 80, so dass die Spannung von 24 V über den Schalter 39 mit dem hohen Temperaturgrenzwert, den Wasser-Durchflussschalter 70 und den Luft-Differenzdruckschalter 38 an das Zünd-Steuergerät 50 gegeben wird. Der Wasser-Durchflussschalter 70 ist normalerweise offen. Sobald Wasser durch beide Wandungen bzw. Windungen fließt, schließt dieser. In ähnlicher Weise ist der Luft-Differentialdruckschalter im Normalbetrieb offen, aber schließt, sobald das Gebläse 40 anläuft. Der Schalter für den hohen Temperaturgrenzwert ist normalerweise geschlossen. Sobald die Wassertemperatur über den von einem Nutzer eingestellten Wert steigt, öffnet dieser Schalter und beendet die Verbrennung mit Abschalten des Wärmetauschers.
Das (Zünd-)Steuergerät 50 gibt eine Spannung von 25.000 V an der Elektrode 33 frei und eine Spannung von 24 V an das Magnetventil 52 über das Relais 43, das die Gaszuströmung zur selben Zeit freigibt, wie die Elektrode 33 aufgeladen wird. Durch das nun geöffnete Magnetventil 52 fließt Gas zu dem Gasmassen-Durchflussregler 44. Von dem Gasmassen-Durchflussregler 44 aus strömt das Gas in die Mischkammer innerhalb des T-Stücks 49. Das Gemisch tritt in die Brennstoffdüse 19 und die Brennkammer 20 ein, in der die Verbrennung stattfindet. Nach der Zündung wird der Zündfunke gestoppt, nämlich zwei Sekunden, nachdem die Entflammung durch den Flammensensor 41 erfasst wurde. Signale von dem Flammensensor 41 werden an das (Zünd-)Steuergerät 50 übertragen, wobei das Magnetventil 52 so lange offenbleibt, wie diese Signale empfangen werden.
Zu Beginn jedes Betriebs wird das Zeitrelais 66 auf einen Wert eingestellt, der einer Frequenz von 40 Hz entspricht, die an das Gebläse 40 angelegt werden. Nach 30 Sekunden wird der Einstellwert auf einen Wert angehoben, der einer Frequenz von 65 Hz entspricht. Wenn das (Zünd-)Steuergerät 50 zugeschaltet wird, finden folgende Abläufe statt: Die Anschlüsse A3 und A5 sowie A6 und A4 am Relais 43 schließen, so dass Leistung an das Zeitrelais 66 angelegt wird. Für die ersten 30 Sekunden ist das Zeitrelais 66 auf einen Wert von 40 Hz eingestellt, um dann auf einen Wert von 65 Hz anzusteigen. Das Thermoelement 62 misst die Wassertemperatur am Wärmetauscherauslass kontinuierlich und sendet diese Signale an die Steuerung 64. Wenn die von dem Thermoelement 62 gemessene Temperatur unterhalb der der Steuerung 64 ist, werden entsprechende Signale an die Geschwindigkeitssteuerungseinheit 60 gesandt, die die Gebläsegeschwindigkeit steuert. Das Gebläse 40 wird dadurch mit einer hohen Geschwindigkeit betrieben. Wenn die von dem Thermoelement 62 gemessene Temperatur sich der von der Temperatursteuerung 64 gemessenen annähert, werden entsprechende Signale an die Geschwindigkeitssteuerungseinheit 60 gesandt, so dass die Gebläsegeschwindigkeit entsprechend reduziert wird. Durch Erfassen des A1–A2/G1–G2-Verhältnisses resultiert ein Abfall in den A1–A2-Werten, so dass der Gasmassen- Durchflussregler den Gaszufluss reduziert. Eine Reduzierung des Gaszuflusses verursacht wiederum eine Reduzierung in den G1–G2-Werten, so dass das Verhältnis A1–A2/G1–G2 konstant bleibt. Somit ermöglicht dieses Düsensystem einen optimalen, kontinuierlichen Betrieb des Wärmetauschers, wobei die Ein-/Abschaltzyklen wesentlich verringert werden.
Falls der Zündfunke bei der Zündung des Pulsationsbrenners 10 versagt, wie dies durch die Flammensonde 41 innerhalb von fünf Sekunden festgestellt wird, wird das gesamte System abgeschaltet, indem das Gasventil 52 schließt und die Sensoren abgeschaltet werden.
Ein Verwendungsbeispiel des vorliegenden Wärmetauschersystems ist die Zufuhr von Heißwasser zu einem Heißwassertank. Der Thermostat 74 würde dazu verwendet, um die Temperatur des Wassers in dem Tank (nicht gezeigt) zu messen. Sobald die Wassertemperatur in dem Tank unter einen vorbestimmten Grenzwert fallen würde, würde sich der Thermostat 74 schließen und den Anlaufbetrieb und anschließend den durchgängigen Betrieb veranlassen. Das Thermoelement 62 würde die Wassertemperatur erfassen, die durch das Wärmetauschersystem an den Tank geliefert wird. Das Wärmetauschersystem würde somit Wasser mit einer Temperatur liefern, die durch die Temperatursteuerung 64 festgelegt ist.
Da somit diese Erfindung mit Bezug auf die erläuternden Beispiele beschrieben wurde, ist diese Beschreibung nicht in einem beschränkenden Sinne gemeint. Vielmehr sind vielfältige Abwandlungen der Ausführungsbeispiele möglich, ebenso sind weitere Ausführungen der Erfindung bezugnehmend auf die Ansprüche für Fachleute auf dem technischen Gebiet möglich. Es ist daher beabsichtigt, dass die beiliegenden Ansprüche derartige Abwandlungen oder Ausführungen mit umfassen, soweit diese vom Wesen der Erfindung erfasst sind.

Claims

Pulsationsbrenner aufweisend: (a) eine Brennkammer (20); (b) eine erste Wandung (12), die als Kühlmittel-Rohranlage ausgebildet ist, die sich spiralförmig gewunden von der Brennkammer (20) weg nach außen erstreckt; (c) eine zweite Wandung (13), die von der ersten Wandung (12) beabstandet ist, wobei die zweite Wandung als Kühlmittel-Rohranlage ausgebildet ist, die sich spiralförmig gewunden von der Brennkammer (20) weg nach außen erstreckt, wobei die Brennkammer mittig zwischen der ersten und der zweiten beabstandeten Wandung (12, 13) angeordnet ist; (d) einen Endrohrbereich (15) zwischen der ersten und der zweiten Wandung; (e) einen Einlass (18) in die Brennkammer (20); (f) eine Brennstoffdüse (19), die an den Einlass (18) angeschlossen ist, wobei die Brennstoffdüse eine Vielzahl von Brennstoffkanälen (35) umfasst, die um eine Achse der Brennstoffdüse herum radial beabstandet sind; und (g) einen Zündfunkenerzeuger, der eine Elektrode (33) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (33) eine Spitze aufweist, die in einen Ausgang eines der Brennstoffkanäle (35) hineinragt, wodurch beim Anlassen durch die Brennstoffdüse (19) in die Brennkammer einströmender Brennstoff durch den Zündfunkenerzeuger entzündet wird.
Pulsationsbrenner nach Anspruch 1, wobei Wärmeaustauschkühlmittel in die die erste und zweite Wandung (12, 13) bildende Kühlmittel-Rohranlage am Außenumfang der ersten und zweiten Wandung (12, 13) eintritt, und wobei das Kühlmittel aus der die erste und zweite Wandung (12, 13) bildenden Kühlmittel-Rohranlage unmittelbar an der Brennkammer (20) austritt.
Pulsationsbrenner nach Anspruch 1, wobei der Zündfunkenerzeuger ferner umfasst: (a) einen Zündstab (32); und (b) einen Isolationsstab (26), der sich von dem Zündstab (32) weg erstreckt, wobei sich die Elektrode (33) von dem Isolationsstab (26) weg erstreckt und die Spitze der Elektrode (33) nach hinten in den Ausgang des Brennstoffkanals (35) umgebogen ist.
Pulsationsbrenner nach Anspruch 1, wobei die Wandungen (12, 13) im Wesentlichen kreisförmig sind.
Pulsationsbrenner nach Anspruch 1, wobei die erste Wandung (12) gegenüber der Brennstoffdüse (19) angeordnet ist, und wobei die erste Wandung (12) eine vorspringende kegelförmige Oberfläche (11) aufweist, welche eine Flamme nach außen durch die Brennkammer (20) verteilt.
Pulsationsbrenner nach Anspruch 1, ferner umfassend: (a) mindestens eine Kühlmittelleitung (27, 29), die an die die erste und zweite Wandung (12, 13) bildende Kühlmittel-Rohranlage angeschlossen ist; und (b) mindestens einen Kühlmittel-Durchflusssensor (56), der an zumindest eine der Kühlmittelleitungen (27, 29) angeschlossen ist.
Pulsationsbrenner nach Anspruch 1, bei dem die Brennstoffdüse (19) mit dem Zündfunkenerzeuger integriert ist.
Wärmetauscher, der im Wesentlichen kontinuierlich arbeitet, aufweisend: (a) einen Pulsationsbrenner (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Verbrennung eines Luft-/Gas-Gemisches, wobei das Gas Brennstoff ist; (b) ein Gebläse (40) zur Bereitstellung eines Luftstroms in einer Luftleitung (48); (c) eine Geschwindigkeitssteuerungseinheit (60), die mit dem Gebläse (40) verbunden und zur Steuerung von dessen Geschwindigkeit unter Ansprechen auf ein Steuersignal wirksam ist; (d) eine Gasleitung (59), die an eine Gasquelle angeschlossen ist; (e) eine Einrichtung (44) zur Reduzierung des Gasstroms als Reaktion auf eine Reduzierung des Luftstroms; (f) eine Einrichtung (49) zum Mischen der Luft aus der Luftleitung (48) mit dem Gas aus der Gasleitung (59) und Leiten des Gemisches zu dem Pulsationsbrenner (10); (g) Wärmeaustauschleitungen (14, 16), die um den Pulsationsbrenner (10) laufen, um Kühlmittel darüberzuführen; und (h) einen Temperatursensor (62) zum Messen der Temperatur eines Kühlmittels nach Passieren des Pulsationsbrenners (10) und Übermitteln der Temperaturmessung an die Geschwindigkeitssteuerungseinheit (60); wobei die Geschwindigkeitssteuerungseinheit (60) die Geschwindigkeit des Gebläses (40) verlangsamt, wenn die Temperatur des Kühlmittels sich einem voreingestellten Grenzwert annähert.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, wobei die Einrichtung (44) zur Reduzierung des Gasstroms aufweist: (a) eine Einrichtung zur Messung eines Druckdifferentials in jeder der Gasleitungen (59) und der Luftleitung (48); und (b) einen Gasmassen-Durchflussregler in der Gasleitung, der zur Steuerung des Gasstroms abhängig von dem Verhältnis der Differenzdruckmessungen in der Luftleitung (48) zu demjenigen in der Gasleitung (59) wirksam ist, so dass bei einer Reduzierung des Luftstroms auch der Gasstrom reduziert wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, wobei der Sensor (62) ein Thermoelement ist, das an die aus dem Pulsationsbrenner (10) herausführende Wärmeaustauschleitung angekuppelt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, aufweisend eine Blende (51, 55) in jeder der Luft- und Gasleitungen sowie Druckmessleitungen auf jeder Seite jeder der Blenden, um den Druck zu erfassen und ihn zu dem Gasmassen-Durchflussregler (44) zu übertragen.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, wobei der Endrohrbereich (15) die Brennkammer (20) umgibt.
Wärmetauscher nach Anspruch 12, wobei die ersten und zweiten voneinander beabstandeten Wandungen (12, 13) jeweils so als spiralförmig von der Brennkammer (20) weg nach außen gewundene Kühlmittel-Rohranlage ausgebildet sind, dass die benachbarten Windungen aneinander anliegen, wobei die Brennstoffdüse (19) an den Einlass (18) der Brennkammer (20) angekuppelt ist, und der Zündfunkenerzeuger in der Brennkammer (20) unmittelbar an der Brennstoffdüse (19) angeordnet ist, um einströmenden Brennstoff beim Anlassen zu entzünden.
Wärmetauscher nach Anspruch 12, wobei Wärmeaustauschkühlmittel in die die erste und zweite Wandung (12, 13) bildende Kühlmittel-Rohranlage am Außenumfang der ersten und zweiten Wandung eintritt und aus der Kühlmittel-Rohranlage unmittelbar an der Brennkammer (20) austritt.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, wobei Brennstoffkanäle (35) um die Achse der Brennstoffdüse (19) angeordnet sind, wobei die Brennstoffkanäle (35) zum Hindurchleiten des Brennstoffes durch die Brennstoffdüse dienen, und wobei der Zündfunkenerzeuger ein Zündstab (32) mit einem Isolationsstab (26) in der Mitte ist, der durch die Brennstoffdüse (19) hindurch verläuft und die Elektrode (33) einschließt, die sich aus einem Ende des Isolationsstabes (26) heraus erstreckt und nach hinten umgebogen ist, so dass ihre Spitze direkt in einem der Brennstoffkanäle (35) liegt.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, ferner umfassend eine Einrichtung (50, 52) zum Beenden der Zündung des Zündfunkenerzeugers innerhalb einer vorbestimmten Zeit, nachdem eine Verbrennungsflamme erfasst worden ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, ferner umfassend: (a) eine Flammensonde (41), die in der Brennkammer (20) angeordnet und zur Erfassung des Vorhandenseins einer Flamme vorgesehen ist; und (b) eine Einrichtung (50, 52) zum Schließen der Gasleitung (59) als Antwort darauf, dass die Flammensonde (41) innerhalb einer vorbestimmten Zeit nach einem ersten Öffnen der Gasleitung (59) keine Flamme erfasst.