DE19934488A1 - Brennstoffbetriebenes Heizgerät - Google Patents

Abstract

Brennstoffbetriebenes Heizgerät, insbesondere Fahrzeugzusatz- bzw. Standheizgerät, mit einem Brenner (2), der in eine Brennkammer (4) ragt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die der Flamme (5) des Brenners (2) ausgesetzten, aus metallischem Werkstoff bestehenden Bestandteile (3, 14) der Brennkammer (4) zumindest teilweise mit Keramikmaterial beschichtet sind (Beschichtung 16, 17).

Description

Die Erfindung betrifft ein brennstoffbetriebenes Heizgerät, insbesondere ein Fahrzeugzusatz- bzw. Standheizgerät mit einem Brenner, der in eine Brennkammer ragt.

Die Brennkammer und die gegebenenfalls in ihr angeordneten Bestandteile des Brenners sind üblicherweise aus Stahlblech-, Gußeisen- oder Sinterteilen hergestellt. Durch intensiven Ausbrand auf relativ kleinem Volumen werden die Brennkammer-Bestandteile thermisch stark belastet. Die Masse der Brennkammer-Bestandteile führt zu langen Aufheizzeiten und damit zu einer schlechten Startqualität. Insbesondere die unmittelbar zur Flamme angeordneten Bestandteile, wie etwa Flammhalter, unterliegen der Gefahr einer Verformung, Undichtigkeit und damit kurzen Standzeit sowie gegebenenfalls zu einer unerwünschten Ableitung von Wärme. Falls in Betracht gezogen wird, den Bauraum zusätzlich zu verkleinern, führt dies zu einer besseren Brennstoffaufbereitung, aber auch zu erhöhten Bauteiltemperaturen und damit zu einer Verringerung der Standzeit.

Diese Probleme werden zumindest teilweise durch die in der DE-A1-33 41 490 vorgeschlagene Maßnahme verringert, gemäß der das die Brennkammer begrenzende Brennrohr aus Keramikmaterial hergestellt ist. Ein derartig vollständig aus Keramikmaterial bestehendes Brennrohr ist jedoch teuer und hat außerdem den Nachteil, daß seine Befestigung innerhalb des Heizgeräts nicht unproblematisch ist. Einen großen Nachteil für baugrößenoptimierte Brenner stellen auch die notwendigen dicken Wandstärken von Keramikbauteilen dar.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein brennstoffbetriebenes Heizgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei günstigen Herstellungskosten problemlos montierbar ist, günstige Eigenschaften hinsichtlich der Verbrennung und hohe Standzeiten gewährleistet.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Demnach ist mit anderen Worten erfindungsgemäß vorgesehen, die durch die Flamme des Brenners des brennstoffbetriebenen Heizgeräts belasteten Teile zumindest teilweise mit Keramikmaterial zu beschichten. Diese Beschichtung führt zu einer Isolierung dieser Bauteile vor der Hitzebelastung der Flamme und zu einer Erhöhung der Oberflächentemperatur. Durch die Beschichtung wird in den beschichteten Bereichen der Bauteile weniger Wärme nach außen abgeleitet. Im Falle einer beschichteten Innenwandung der Brennkammer führt dies zu einer Vermeidung des sogenannten Quentscheffekts, d. h. der Selbstlöschung an relativ kalten Bauteilen durch zu geringen Abstand der Flamme von diesen. Die im Beschichtungsbereich heißeren Wände ermöglichen insgesamt eine schadstoffärmere Verbrennung.

Vorteilhafterweise wird als Keramikmaterial Zirkonoxid eingesetzt.

Die Schichtdicke des Keramikmaterials beträgt zwischen 0,01 und 1,0 mm und bevorzugt 0,05 bis 0,5 mm.

Ein bevorzugter Keramikmaterial-Beschichtungsbereich ist die Innenseite eines Brennrohrs, welche die Brennkammer begrenzt. Alternativ hierzu können auch weitere Bestandteile in der Brennkammer beschichtet sein, wie etwa ein Flammhalter oder die Flamme umschließende Blenden.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme einer Beschichtung der kritischen Brennkammerteile mit Keramik kann der Brennraum durch Intensivierung des Ausbrands verkleinert werden. Außerdem ist ein Einsatz geringerer Massen (im Vergleich zu Blechen, die eine gewisse Dicke brauchen, um nicht vorzeitig durchzubrennen) an hochbelasteten Bauteilen möglich und damit eine schnellere Aufheizung gewährleistet.

Durch die erfindungsgemäße Beschichtung kritischer Bestandteile der Brennkammer werden hohe Oberflächentemperaturen aufgrund des geringen Wärmeleitkoeffizienten des Keramikmaterials erzielt, was zu einem guten Ausbrand führt.

Ein weiterer sich durch die Erfindung ergebender Vorteil besteht in einer Unterstützung der Brennstoffaufbereitung, da größere Tröpfchen, die an der Innenwand der Brennkammer bzw. des Brennrohrs abgeschieden werden, aufgrund der dort herrschenden sehr hohen Wandtemperatur rasch verdampft werden, was zu guten Brennwerten führt.

Die Keramikmaterial-Beschichtung in der Brennkammer führt außerdem im Vergleich zu einer unbeschichteten Brennkammer zu einem geringeren Koksaufbau, sodaß die Verbrennungsgüte auch bei fortschreitender Lebensdauer eines Heizgeräts nicht wesentlich abfällt.

Ein weiterer Vorteil der Keramikmaterial-Beschichtung besteht in der besseren Startfähigkeit durch schnelleren Temperaturanstieg in der Brennkammer und einer längeren Standzeit aufgrund einer größeren Temperaturbelastbarkeit der Keramikmaterial- Beschichtung im Vergleich zu nicht-beschichtetem Brennkammermaterial, wie etwa Blech.

Die mit Keramikmaterial beschichteten kritischen Teile der Brennkammer haben außerdem im Vergleich zu dem vorstehend erläuterten Stand der Technik mit aus Keramikmaterial bestehendem Brennrohr den Vorteil, daß beschichtete Blech- und dergleichen Teile kostengünstiger sind als Keramikvollmaterialteile und problemloser befestigt werden können als diese, da die Beschichtungsteile nicht unmittelbar zur Befestigung verwendet werden müssen, sondern hierfür die metallischen Trägerteile herangezogen werden können.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert; die einzige Figur zeigt schematisch eine Längsschnittansicht eines brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgeräts mit erfindungsgemäßen Keramikmaterial-Beschichtungen auf der Brennrohrinnenseite und am innenliegenden Ende des Flammhalters.

Ein brennstoffbetriebenes Heizgerät ist im Beispiel als Fahrzeugzusatzheizgerät 1 ausgebildet. Das Fahrzeugzusatzheizgerät 1 enthält einen schematisch angedeuteten Brenner 2, der über nicht gezeigte Versorgungsleitungen mit Brennstoff und Brennluft versorgt wird. Der Brenner 2 ragt in eine Brennkammer 4, die von einem Brennrohr 3 begrenzt ist. Mit 5 ist schematisch eine Flamme in der Brennkammer 4 angedeutet. Die Brennkammer 4 ist von einem Ringraum 6 umgeben, in welchem bei der Verbrennung entstehende Verbrennungsgase in Gegenrichtung zur Strömungsrichtung in der Brennkammer 4 zu einem Verbrennungsgasauslaß 7 geleitet werden. Der Ringraum 6 ist mantelartig von einer Wärmeübertragungseinrichtung 8 umgeben, die als wärmeübertragendes Material beispielsweise Wasser enthält, das über einen Einlaß 9 eingeleitet wird und über einen Auslaß 10 austritt. Von der dem Ringraum 6 zugewandten Wandung der Wärmeübertragungseinrichtung 8 ragen Lamellen 18 in den Ringraum 6.

Der Querschnitt des von den Verbrennungsgasen durchströmten Ringraums 6 verengt sich in Richtung des Verbrennungsgasauslasses 7. Insbesondere verengt sich der Querschnitt des Ringraums 6 bei der dargestellten AusfiYhrungsform stetig, und der Querschnitt des Ringraums 6 hat vorzugsweise konischen Verlauf. Am brennerseitigen Ende der Brennkammer 4 bildet ein Aufsatz 11 mit einem abschnittsweise konischen Verlauf eine Begrenzungswand 12 des Ringraums 6.

In der Figur ist das Brennrohr 3 in Form eines Kegelstumpfes gebildet und seine Außenwand bildet die konisch verlaufende Begrenzungswand 13 des Ringraums 6. Der durchmesserkleinste Teil des Kegelstumpfes ist im Bereich des vom Brenner 2 abgewandten Endes der Brennkammer 4 vorgesehen, und der durchmessergrößte Teil des Kegelstumpfes befindet sich im Bereich des brennerseitigen Endes der Brennkammer 4 und in der Nähe des Bereichs des Verbrennungsgasauslasses 7.

Im übrigen ist zwischen der Außenwand des Brennerrohrs 3 und dem Aufsatz 11 ein Zwischenraum 20 belassen, in welchem Verbrennungsgase über das vom Brenner 2 abgewandte Ende eintreten. Diese Verbrennungsgase im Zwischenraum 20 schirmen die Wärmestrahlung von der Außenwandung des Brennrohrs 3 ab. Hierdurch bleibt das Brennrohr 3 heißer und die Verbrennung in der Brennkammer 4 kann zu günstigeren Bedingungen ablaufen. Außerdem wird auch das vom Verbrennungsgasauslaß 7 strömende Verbrennungsgas nicht durch Wärmestrahlung vor dem Verlassen des Fahrzeugheizgeräts 1 nochmals erwärmt, so daß sich die Verbrennungsgastemperatur im Bereich des Verbrennungsgasauslasses 7 senken läßt.

In einem dem Brenner 2 nahen Bereich der Brennkammer 4 ist innenliegend am Brennrohr 3 ein kreisringförmiger Flammhalter 14 ausgebildet, der beispielsweise durch Schweißen mit dem Brennrohr 3 verbunden ist. Dieser ringförmige Flammhalter 14 besteht ebenso aus Stahlblech wie das Brennrohr 3 und diese zumindest teilweise der Flamme 5 ausgesetzten Teile des Brenners 2 sind erfindungsgemäß zunächst teilweise mit Keramikmaterial beschichtet. Demnach befindet sich eine erste Beschichtung 16 aus Keramikmaterial auf der Innenseite des Brennrohrs 3 in demjenigen Bereich des Brennrohrs 3, der am nächsten zur Flamme 5 zu liegen kommt. Hierbei handelt es sich um einen mittleren Bereich des Brennrohrs 3 in Richtung der Brennrohrlängsachse, beabstandet von dem Flammhalter 14 und endend vor dem Verbrennungsgasaustritt am brennerfernen Ende des Brennrohrs 3. Bei einer Form der Flamme 5, wie sie in der Figur beispielhaft gezeigt ist, handelt es sich hierbei um den der Flamme 5 am nächsten gelegenen Bereich des Brennrohrs 3. Alternativ kann grundsätzlich die gesamte Innenseite des Brennrohrs 3 mit Keramikmaterial beschichtet sein. Da eine derartige vollständige Beschichtung jedoch mit entsprechend hohen Kosten verbunden ist, ist die in der Figur gezeigte in axialer Richtung begrenzte teilweise Beschichtung 16 mit Keramikmaterial bevorzugt.

Am inneren Ringrand ist der Flammhalter 14 ebenfalls mit einer Beschichtung 17 aus Keramikmaterial versehen. Die Beschichtung 17 ist bei der dargestellten Ausführungsform als eine diesen Ringrand beidseitig sowie frontal zur Flamme 15 umschließende Ringfläche gebildet und hat einen U-förmigen Querschnitt.

In der Figur sind die Keramikmaterial-Beschichtungen 16 und 17 übertrieben dick dargestellt. Die Beschichtung 16 bzw. 17 hat eine Dicke zwischen 0,01 und 1,0 mm und bevorzugt eine Dicke zwischen 0,05 und 0,5 mm. Als Keramikmaterial kommt beispielsweise Zirkonoxid in Betracht. Grundsätzlich ist auch anderes Keramikmaterial einsetzbar, das für den vorliegenden Zweck geeignet ist, der darin besteht, die jeweiligen relativ dünnwandigen Blechteile (Brennrohr 3 bzw. Flammhalter 14) vor der hohen Hitzebelastung durch die Flamme 5 zu schützen und die Oberflächentemperatur an diesen Teilen zu erhöhen, wodurch sich aufgrund des geringen Wärmeleitkoeffizienten des Keramikmaterials ein guter Ausbrand der Flamme ergibt. Infolge der hohen Wandtemperatur im Bereich der Keramikmaterial-Beschichtung 16 auf der Innenseite des Brennrohrs 3 wird die Brennstoffaufbereitung gefördert, weil große Brennstofftröpfchen, die an diesem Wandbereich abgeschieden werden, aufgrund der hohen Wandtemperatur verdampft werden. Hierdurch ergeben sich gute Brennwerte. Ein weiterer Vorteil der Keramik-Beschichtung 16 bzw. 17 besteht in einem vergleichsweise geringeren Koksaufbau an den beschichteten Brennerteilen im Vergleich zu unbeschichteten Brennerteilen im unmittelbaren Einflußbereich der Flamme 5. Ein weiterer Vorteil ist die bessere Startqualität des Fahrzeugzusatzheizgeräts 1 aufgrund eines schnelleren Temperaturanstiegs im kritischen Innenwandbereich des Brennrohrs 3, an welchem die Beschichtung 16 vorgesehen ist. Als unmittelbare Folge des Schutzes der beschichteten Brennerteile ergibt sich eine längere Standzeit dieser Teile aufgrund größerer Temperaturbelastbarkeit des Keramikmaterials.

Bei der Auswahl des Keramikmaterials wird vorzugsweise eines mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten gewählt, der nahe bei dem des Stahls liegt. Hierdurch wird eine gute Standzeit, die Fähigkeit große Temperaturunterschiede in kurzer Zeit zu ertragen sowie ein gutes Haftvermögen erzielt. Das Haftvermögen wird eventuell in Verbindung mit einer Trägerschicht und/oder chemisch-physikalischen Vorbehandlung des Stahls erhöht.

Bezugszeichenliste

1

Fahrzeugzusatzheizgerät insgesamt

2

Brenner

3

Brennrohr

4

Brennkammer

5

Flamme

6

Ringraum

7

Verbrennungsgasauslaß

8

Wärmeübertragungseinrichtung

9

Einlaß für Wärmeübertragungsmedium

10

Auslaß für Wärmeübertragungsmedium

11

Aufsatz

12

Begrenzungswand von Aufsatz

11

13

Begrenzungswand, gebildet von Brennrohr

3

14

Flammhalter

16

Keramik-Beschichtung

17

Keramik-Beschichtung

18

Lamellen

20

Zwischenraum

Claims (10)

1. Brennstoffbetriebenes Heizgerät, insbesondere Fahrzeugzusatz- bzw. Standheizgerät, mit einem Brenner (2), der in eine Brennkammer (4) ragt, dadurch gekennzeichnet, daß die der Flamme (5) des Brenners (2) ausgesetzten, aus metallischem Werkstoff bestehenden Bestandteile (3, 14) der Brennkammer (4) zumindest teilweise mit Keramikmaterial beschichtet sind (Beschichtung 16, 17).

2. Heizgerät nach Anspruch 1, wobei die Brennkammer (4) durch ein Brennrohr (3) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikmaterial-Beschichtung (16) zumindest auf der Innenseite des Brennrohrs (3) vorgesehen ist.

3. Heizgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikmaterial- Beschichtung (16) zumindest an den Stellen der Innenseite des Brennrohrs (3) vorgesehen ist, die nahe zur Flamme (5) gelegen sind.

4. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikmaterial-Beschichtung (17) auf einem die Flamme (5) umschließenden Flammhalter (14) vorgesehen ist.

5. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikmaterial-Beschichtung auf die Flamme (5) umschließenden Blenden vorgesehen ist.

6. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial der Beschichtung (16, 17) Zirkonoxid umfaßt.

7. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikmaterial-Beschichtung (16, 17) 0,01 bis 1,0 mm dick ist.

8. Heizgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikmaterial- Beschichtung (16, 17) 0,05 bis 0,5 mm dick ist.

9. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht mittels einer auf die Bauteile (3, 14) aufgebrachten Trägerschicht befestigt wird.

10. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1-8 dadurch gekennzeichnet, daß die zu beschichtenden Bauteile (3, 14) zumindestens an den Stellen, an denen anschließend die Keramik aufgebracht wird, physikalisch und/oder chemisch vorbehandelt wird.