DE19718885A1 - Gasbrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasbrenner mit einem Gehäuse das einen Brennraum mit einem Ein­ laß für ein Gas oder ein Gas-Luft-Gemisch und einen Auslaß für das Abgas aufweist, wobei in dem Brennraum wenigstens ein Brennkörper aus porösem Material angeordnet ist, innerhalb dem das Gas-Luft-Gemisch verbrennbar ist, wobei der Brennkörper in mindestens zwei Teil-Brenn­ körper untergliedert ist, und wobei dem Brennkörper eine Kühlvorrichtung zugeordnet ist.

Ein solcher Gasbrenner ist in der WO 95/01532 beschrieben. Hierbei ist ein tonnenförmiges Gehäuse vorgesehen, das mit einem Brennkörper gefüllt ist. Der Brennkörper ist aus einem porösen Material gebildet. Die Porengröße nimmt in Flußrichtung des Gas-Luft-Gemisches vom Einlaß zum Auslaß des Abgases zu. Zur Abführung der, bei der Verbrennung entstandenen Wärme ist ein Kühlkreislauf mit zwei Kühlkörpern vorgesehen. Der eine Kühlkörper führt die Wärme von der Außenseite des Gehäuses herab. Der zweite Kühlkörper ist in das poröse Material eingestellt. Bei solchen Gasbrennern stabilisiert sich, quer zur Strömungsrichtung des Gas-Luft-Gemisches, innerhalb des porösen Materials eine schmale Flammfront. In dieser Flamm­ front entsteht eine große Wärmeentwicklung mit einem entsprechend hohen Anteil an Stick­ oxiden. Dort wo sich die Flammfront an die durch die Kühlkörper temperierten Zonen annähert, wird Kohlenmonoxid entstehen. Infolge der hohen Temperaturspitzen in der Flammfront ist die Leistung des Gasbrenners abhängig von dem eingesetzten Material für den Brennkörper begrenzt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Gasbrenner der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei dem eine hohe Leistungsausbeute bei gleichzeitig niedrigen Schadstoffemissionen ermöglicht ist.

Diese Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß der Brennkörper zumindest im Bereich der Wärmeentstehung auf der der Kühlvorrichtung zugewandten Seite einen Teil-Brennkörper bildet, der einen geringeren Strömungswiderstand aufweist als der der Kühlvorrichtung abgewandte Teil-Brennkörper.

Durch die erfindungsgemäße Unterteilung des Brennkörpers in Teil-Brennkörper werden verschiedene Zonen geschaffen, in denen unterschiedliche Massen an Gas-Luft-Gemisch verbrannt werden. In solchen Bereichen, wo ein geringerer Strömungswiderstand vorliegt, werden naturgemäß größere Massen umgesetzt. Hier entstehen auch relativ größere Wärme­ mengen. Diese können durch die angrenzenden Kühlkörper abtransportiert werden. Da in den dem Kühlkörper abgewandten Bereich ein größerer Strömungswiderstand herrscht, verbrennt ein geringerer Anteil des Gas-Luft-Gemisches. Damit wird in diesem Teil-Brennkörper auch weniger Wärme erzeugt. Durch diese Ausgestaltung wird verhindert, daß lokal im Inneren des Brenn­ körpers Temperaturspitzen entstehen. Vielmehr wird eine gleichmäßigere Temperaturverteilung erreicht. Diese Temperaturgefüge ermöglicht geringe NOx- und CO-Emissionen.

Darüberhinaus kann ein hohes Leistungsniveau mit dem Gasbrenner gefahren werden. Die materialbedingte Limitierung aufgrund von Temperaturspitzen trifft erst viel später als bei konventionellen Gasbrennern auf.

Eine mögliche Erfindungsvariante ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung von einem Wärmetauscher gebildet ist, der im Bereich über dem Brennkörper im Abgasstrom die erzeugte Wärme abtauscht, und daß der dem Wärmetauscher zugekehrte Teil-Brennkörper eine Kanalstruktur und der dem Wärmetauscher abgewandte Teil-Brennkörper eine stöchiometrische Porenverteilung aufweist. In der Kanalstruktur kann ein sehr geringer Strömungswiderstand erzeugt werden. Die stöchiometrische Porenverteilung läßt sich dann erzeugen, wenn für den Teil-Brennkörper eine Schüttung aus temperaturbeständigen Körpern oder beispielsweise ein temperaturbeständiges schaumartiges Material oder Geflecht verwendet wird.

Denkbar ist es auch, daß der Brennkörper quer zur Strömungsrichtung des Gases oder des Gas- Luft-Gemisches seitlich von Kühlkörpern der Kühlvorrichtung eingefaßt ist. Durch diese einfache Maßnahme läßt sich effektiv eine große Wärmeleistung von dem Brennkörper abführen. Ist es hierbei vorgesehen, daß die Kühlkörper die Brennkörper in Richtung der Strömung des Gas-Luft- Gemisches überragen, dann kann die Temperatur der Ausbrandstrecke auf einem gewünschten Temperaturniveau gehalten werden.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Brennkörper auf einen Verteiler aufgesetzt sind, in dem über Kanäle dem Brennkörper das Gas-Luft-Gemisch zu­ geführt ist. Der Verteiler sorgt für eine gleichmäßige Verteilung des Brenngas-Luft-Gemisches vor dem Brennkörper. Der Verteiler kann auch eine gekühlte Platte aufweisen, auf der die Brenn­ körper aufstehen. Die Platte hat Durchtrittsöffnungen, über die das Gas-Luft-Gemisch dem Brennkörper zuströmt. Bei der Auslegung des Verteilers muß darauf geachtet werden, daß ein Rückschlagen der Flammen von dem Brennkörper in den Gasraum nicht erfolgen kann. Ins­ besondere muß der Verteiler eine Dicke größer als 2 mm aufweisen. Der freie Querschnitt der Kanäle in dem Verteiler sollte 6 mm² nicht unterschreiten. Durch eine effektive Kühlung der Platte wird ebenfalls ein Rückschlagen der Flammen verhindert.

Zur optimierten Energieausbeute kann es auch vorgesehen sein, daß in Richtung der Strömung vor dem Brennkörper ein Wärmetauscher in den Fluidstrom eingesetzt ist.

Ein möglicher erfindungsgemäßer Gasbrenner ist dadurch gekennzeichnet, daß der der Kühl­ vorrichtung zugewandte Teil-Brennkörper von einem Lamellenblock gebildet ist, auf dem der Teil-Brennkörper mit dem höheren Strömungswiderstand aufgesetzt ist. Der Lamellenblock kann wie ein Lamellenwärmetauscher aufgebaut sein, der beispielsweise wassergekühlt ist. Die Lamellen tragen, in Strömungsrichtung gesehen, an ihren Austrittkanten den, bzw. die Teil- Brennkörper. Zur Strömungsleitung können die Austrittskanten als auch die Eintrittskanten glatt oder strukturiert sein.

Hierbei ist es auch denkbar, daß der Lamellenblock zwischen seinen Lamellen Kammern auf­ weist, die zumindest teilweise mit einer porösen Schüttung verfüllt sind. Die poröse Schüttung kann hierbei zur gleichmäßigen Verteilung des Gas-Luft-Gemisches eingesetzt werden.

Für den Brennkörper lassen sich Schüttungen aus metallischen oder keramischen Körpern, schaumartige Materialien, Geflechte oder Wabenkörper aus Keramik, Metall oder Metall-Keramik Verbundwerkstoffen einsetzen. Diese Materialien haben eine ausreichend hohe Temperatur­ beständigkeit für den geforderten Einsatzzweck.

Wenn es vorgesehen ist, daß die Kühlvorrichtung über einen isolierenden Luftspalt thermisch von dem Brennkörper im Bereich der Verbrennungszone entkoppelt ist, dann besteht kein direkter Kühlkontakt zu dem Brennkörper. Dementsprechend können auch keine Bereiche mit einem starken Temperaturgefälle entstehen. Somit ist ein Nieder-Temperaturbereich, in dem Kohlenmonoxid entstehen würde, sicher verhindert. Der isolierende Spalt hat vorteilhafter Weise eine Breite von 1 bis 10 cm.

Zur Inbetriebnahme des Gasbrenners kann im Inneren des Brennkörpers eine Zündvorrichtung vorgesehen sein.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 in Seitenansicht und im Schnitt eine schematische Darstellung eines Gasbrenners mit einem Brennkörper und Wärmetauschern,

Fig. 2 in Seitendarstellung und im Schnitt eine schematische Darstellung eines Gasbrenners mit mehreren Brennkörpern und dazwischen angeordneten Kühlkörpern und

Fig. 3 in schematischer Darstellung und in Seitenansicht einen Gasbrenner mit einer Kühlvorrichtung und einem Brennkörper.

Die Fig. 1 zeigt ein Gehäuse 22 eines Gasbrenners. Im Inneren des Gehäuses 22 ist in einer Brennkammer ein Brennkörper 14 untergebracht. Der Brennkörper 14 besteht aus zwei Teil- Brennkörpern 14.1, 14.2. Der Teilbrennkörper 14.1 weist in seinem Inneren eine stöchio­ metrische Porenverteilung auf. In diesem Sinne kann beispielsweise ein keramischer Schaum oder eine Schüttung aus keramischen oder metallischen Körpern für den Teil-Brennkörper 14.1 verwendet sein. Der auf den Teil-Brennkörper 14.1 aufgesetzte obere Teil-Brennkörper 14.2 ist von einer Kanalstruktur 17 durchzogen. In Folge der Kanalstruktur 17 herrscht in dem Teil- Brennkörper 14.2 ein niedrigerer Strömungswiderstand als in dem Teil-Brennkörper 14.1. Der ge­ samte Brennkörper 14 ist auf eine Oberseite 12.1 einer Platte 12 aufgesetzt. Die Platte 12 ist mit einer, in der Zeichnung nicht dargestellten Kühlung auf einem vorgebbaren Temperaturniveau gehalten. In der Kontaktzone der Platte 12 zu dem Brennkörper 14 sind Durchtrittsöffnungen 13 vorgesehen. In diese Durchtrittsöffnungen 13 münden Kanäle 11 eines Verteilers 10, der die Platte 12 unterfängt. Die Kanäle 11, die Durchtrittsöffnungen 13, die Poren in dem porösen Material 15 und die Kanalstruktur 17 des Teil-Brennkörpers 14.2 stehen miteinander in räumlicher Verbindung. Damit kann ein Gas-Luft-Gemisch in den Verteiler 10 eindringen und bis zu dem Teil-Brennkörper 14.2 gelangen.

Über dem Teil-Brennkörper 14.2 ist ein Wärmetauscher 20 in dem Gehäuse 22 eingebaut. Der Wärmetauscher 20 ist von einem Rohrleitungssystem 21 durchzogen, in dem Wasser oder eine andere Flüssigkeit mit einer hohen Wärmespeicherkapazität geführt ist.

Beim Betrieb des Gasbrenner strömt das Gas-Luft-Gemisch durch den Verteiler 10 und die Durchtrittsöffnungen 13 der Platte 12 in den Brennkörper 14 ein. Hier entzündet es sich. Da nun in dem Teil-Brennkörper 14.1 ein hoher Strömungswiderstand vorherrscht, wird ein relativ ge­ ringer Anteil des Gas-Luft-Gemisches verbrannt. Das verbleibende Gas-Luft-Gemisch strömt dem Teil-Brennkörper 14.2 zu. In diesem wird es unter großer Wärmeentwicklung umgesetzt. Da nun der Teil-Brennkörper 14.2 dem Wärmetauscher 20 zugekehrt ist, wird die entwickelte hohe Wärmeenergie direkt abgeführt. Damit entsteht keine Zone lokaler Überhitzung in dem Teil- Brennkörper 14.2. Auch in dem Teil-Brennkörper 14.1 entsteht infolge des geringeren Massen­ umsatzes keine Temperaturspitze, die das poröse Material 15 schädigen würde. Vielmehr erhält man bei dieser Anordnung eine gleichmäßige Temperaturverteilung in dem Brennkörper 14.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Gasbrenners ist auch unterhalb des Verteilers 10 ein Wärmetauscher 20 mit einem Rohrleitungssystem 21 angeordnet. Dieser Wärmetauscher 20 nimmt auch die nach unten abgegebene Wärme auf.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Gasbrenner sind drei Brennkörper 14 verwendet, die neben­ einander auf der Platte 12 aufgesetzt sind. Beidseitig der Brennkörper 14 sind Kühlkörper 23 einer Kühlvorrichtung auf der Oberseite 12.2 der Platte 12 festgemacht. Die Kühlkörper 23 sind hierbei im Abstand zu den Brennkörpern 14 angeordnet, so daß ein Luftspalt 25 entsteht. Die Kühlkörper 23 überragen die Brennkörper 14 in Richtung der Strömung des Gas-Luft-Gemisches. In dem überragenden Teil ist eine Kühlleitung 24 vorhanden.

Die Brennkörper 14 sind quer zur Strömungsrichtung des Gas-Luft-Gemisches in einzelne Teil- Brennkörper 14.1, 14.2 unterteilt. Dabei nimmt der Strömungswiderstand vom Inneren des Brennkörpers 14 zu den Seiten, die den Kühlvorrichtungen 23 zugekehrt sind, ab. Denkbar ist eine dreiteilige Schichtung, wobei die beiden äußeren Teil-Brennkörper einen kleinen und der innere Teil-Brennkörper einen großen Strömungswiderstand aufweist. Vorteilhafterweise können aber auch beliebig weitere Teil-Brennkörper Zwischenstufen bilden. Infolge des inhomogenen Gas-Luft-Gemischumsatzes im Brennkörper 14 entstehen auch Zonen unterschiedlicher
Wärmeentwicklung. Die maximale Wärmeentwicklung wird in den den Kühlkörpern 23 zugekehrten Bereichen entstehen. Hier kann sie effektiv abgeführt werden, so daß eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Brennkörper 14 entsteht.

Die Wärmeenergie wird hierbei von den Kühlvorrichtungen 23 über den isolierenden Luftspalt 25 abgezogen. Der Wärmeaustausch erfolgt dabei alleine durch Strahlung. Dadurch, daß ein direkter Kontakt des Kühlkörpers 23 zum Brennkörper 14 verhindert ist, sind Zonen starken Temperatur­ abfalles verhindert. Diese würden einen Anstieg der Kohlenmonoxidemission bewirken. Infolge der gleichmäßigen Temperaturdurchmischung im Brennkörper 14 entsteht auch ein geringer NOx-Ausstoß.

Ebenso wie bei dem Gasbrenner gemäß Fig. 1 ist auch hier ein oberer und ein unterer Wärmetauscher 20 vorhanden, die die anfallende Restwärme abtauschen.

Bei dem in Fig. 3 symbolisierten Gasbrenner ist als Kühlkörner 23 eine wasserführende Kühlleitung verwendet. Auf diese Kühlleitung ist ein Lamellenblock aufgeschoben. Der Lamellenblock besteht aus einzelnen, parallel zueinander angeordneten Lamellen 27.1 zwischen denen Kammern 27.2 gebildet sind. Auf der in Austrittsrichtung des Luft-Gas-Gemisches gesehenen Auslaßbereiche der Lamellen 27.1 sind Teil-Brennkörper 14.1 aufgesetzt. Der Lamellenblock bildet als weiterer Teil-Brennkörper 14.2 zusammen mit den Teil-Brennkörpern 14.1 den Brennkörper 14. Die zwischen den Lamellen 27.1 gebildeten Kammern 27.2 können mit einem porösen Material verfüllt sein. Das poröse Material erfüllt hierbei die Funktion der gleichmäßigen Verteilung des Gas-Luft-Gemisches. Gleichzeitig muß es überhalb des Kühlkörpers 23 als Teil-Brennkörper 14.2 eine Zone hoher Wärmentwicklung schaffen.

Claims (12)

1. Gasbrenner mit einem Gehäuse das einen Brennraum mit einem Einlaß für ein Gas oder ein Gas-Luft-Gemisch und einen Auslaß für das Abgas aufweist, wobei in dem Brenn­ raum wenigstens ein Brennkörper aus porösem Material angeordnet ist, innerhalb dem das Gas-Luft-Gemisch verbrennbar ist, wobei der Brennkörper in mindestens zwei Teil- Brennkörper untergliedert ist, und wobei dem Brennkörper eine Kühlvorrichtung zuge­ ordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkörper (14) zumindest im Bereich der Wärmeentstehung auf der der Kühl­ vorrichtung zugewandten Seite einen Teil-Brennkörper (14.2) bildet, der einen geringeren Strömungswiderstand aufweist als der der Kühlvorrichtung abgewandte Teil-Brennkörper (14.1).

2. Gasbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung von einem Wärmetauscher (21) gebildet ist, der im Bereich über dem Brennkörper (14) im Abgasstrom die erzeugte Wärme abtauscht, und daß der dem Wärmetauscher (20) zugekehrte Teil-Brennkörper (14.2) eine Kanalstruktur und der dem Wärmetauscher (20) abgewandte Teil-Brennkörper (14.1) eine stöchiometrische Porenverteilung aufweist.

3. Gasbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkörper (14) quer zur Strömungsrichtung des Gases oder des Gas-Luft- Gemisches seitlich von Kühlkörpern (23) der Kühlvorrichtung eingefaßt ist.

4. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkörper (14) auf einem Verteiler (10) aufgesetzt sind, in dem über Kanäle (11) den Brennkörpern (14) das Gas-Luft-Gemisch zugeführt ist.

5. Gasbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteiler (10) eine gekühlte Platte (12) aufweist, auf der die Brennkörper (14) aufstehen, und daß die Platte (12) Durchtrittsöffnungen (13) aufweist, über die das Gas-Luft-Gemisch dem Brennkörper (14) zuströmt.

6. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkörper (23) die Brennkörper (14) in Richtung der Strömung des Gas-Luft- Gemisches überragen.

7. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung der Strömung vor den Brennkörpern (14) ein Wärmetauscher (20) in dem Fluidstrom angeordnet ist.

8. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der der Kühlvorrichtung zugewandte Teil-Brennkörper (14.2) von einem Lamellenblock gebildet ist, auf dem der Teil-Brennkörper (14.1) mit dem höheren Strömungswiderstand aufgesetzt ist.

9. Gasbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Lamellenblock zwischen seinen Lamellen (27.1) Kammern (27.2) aufweist, die zumindest teilweise mit einer porösen Schüttung verfüllt sind.

10. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkörper (14) mit seinen Teil-Brennkörpern (14.1, 14.2) aus Schüttungen metallischer oder keramischer Körper, aus schaumartigen Materialien, Geflechten oder Wabenkörper aus Keramik, Metall oder Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen besteht.

11. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung über einen isolierenden Luftspalt thermisch von dem Brennkörper im Bereich der Verbrennungszone entkoppelt ist.

12. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern des Brennkörpers (14) eine Zündvorrichtung angeordnet ist.