DE19962414A1 - Gasbrenner und Verfahren zum Betrieb desselben - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gasbrenner sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Gasbrenners mit einer Brennerplatte (27), mit Brenngas- und Luftzufuhr (12, 14) und mindestens einer Abgasleitung (30, 31) zur Ableitung der Verbrennungsabgase (20), wobei ein Wärmeübergang von den Verbrennungsabgasen (20) auf die Luft (15) oder ein Verbrennungsgemisch (11) mittels eines rekuperativen Wärmetauschers (6) erfolgt, der mindestens einen Durchgang (28, 29) für die Luft (15) oder das Verbrennungsgemisch (11) aufweist. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, daß sich die Brennerplatte (21, 27) im Bereich einer Austrittsöffnung der Durchgänge (28, 29) aus dem Wärmetauscher (6) befindet. Hierbei wird die Luft (15) oder das Verbrennungsgemisch (11) mittels des Wärmetauschers (6) auf eine Temperatur erwärmt, die über der Zündtemperatur des Brenngases (13) liegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasbrenner und ein Verfahren zum Betrieb desselben nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

Eine Nutzung der thermischen Restenergie von Brennerab­ gasen zur Erhöhung von Systemwirkungsgraden ist be­ kannt. Die Energienutzung der heißen Abgase erfolgt üb­ licherweise durch Wärmeübertragung vom heißen Abgas auf ein kälteres Brenngas-Luft-Gemisch, beziehungsweise auch nur auf einen der Gemischpartner, falls die Mi­ schung von Brenngas und Luft erst in der Verbrennungs­ zone stattfindet. Derartige, kontinuierlich betriebene Abgas-Frischgas-Wärmetauscher werden als rekuperative Wärmetauscher bezeichnet. Eine solche Brenneranordnung wird beispielsweise in der US-PS 4,038,022 beschrieben. Dabei werden das Brenngas und die zur Verbrennung benö­ tigte Luft in getrennten Zuleitungen einer Brennerdüse zugeführt und die Luft mittels eines rekuperativen Wär­ metauschers vorgewärmt.

Bei Erwärmung eines bereits vorgemischten Brenngas- Luft-Gemisches stellt sich das Problem, daß das Gemisch bei Temperaturen oberhalb von zirka 600°C zünden kann, und die Verbrennung vor der eigentlichen Reaktionszone unkontrolliert einsetzt. Aus diesem Grund wird die Ge­ mischvorwärmung oftmals auf Temperaturen unterhalb der jeweiligen Zündtemperatur begrenzt. Sollen die guten Verbrennungseigenschaften vorgemischter Brenner in grö­ ßerem Umfang genutzt werden, ist ein optimaler Wir­ kungsgrad durch maximale Gemischvorwärmung mit konven­ tionellen Rekuperatorbrennern jedoch nicht zu errei­ chen.

Vorteile der Erfindung

Der Gasbrenner und das Verfahren mit den kennzeichnen­ den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weisen den Vorteil auf, daß der Wirkungsgrad gegenüber bekannten Gasbrennern mit rekuperativen Wärmetauschern signifi­ kant erhöht wird, wobei gleichzeitig eine deutliche Re­ duzierung der Abgastemperatur erreicht wird. Im Ideal­ fall verlassen die Abgase den erfindungsgemäßen Gas­ brenner nahezu mit Umgebungstemperatur.

Durch die Integration einer Brennerplatte beziehungs­ weise eines Reaktionsbereiches in den rekuperativen Wärmetauscher übernimmt dieser die Funktion eines Flam­ menhalters. Auf diese Weise kann ein Vormischbrenner realisiert werden, bei dem keine Gefahr von Rückzündun­ gen in den Vormischbereich auftritt. Dies hat insbeson­ dere den Vorteil, daß ein großer Teil der Abgaswärme auf ein Frischgas übertragen werden kann, wodurch sehr hohe Vorwärmtemperaturen realisierbar sind. Darüber hinaus werden durch die bauliche Einheit von Brenner­ platte und rekuperativem Wärmetauscher durch den Trans­ port der vorgewärmten Gase bedingte Wärmeverluste ver­ mieden.

Der erfindungsgemäße Vormischbrenner mit rekuperativem Wärmetauscher ist zur Einkopplung einer Brennstoffener­ gie in einen thermischen oder thermoelektrischen Prozeß verwendbar. Die Ausgestaltung der in den Wärmetauscher integrierten Durchgänge, die der Zuleitung des Verbren­ nungsgemisches zur Verbrennungszone dienen, sowie ihr Größenverhältnis zu den Abgaskanälen ist zweckmäßiger­ weise so dimensioniert, daß eine Rückzündung zuverläs­ sig verhindert beziehungsweise die Zündtemperatur des Verbrennungsgemischs zu Temperaturen verschoben wird, die über der eigentlichen Zündtemperatur des Brenngases liegen. Gleichzeitig kann damit ein sehr hoher thermi­ scher Wirkungsgrad erreicht werden. Die Austrittszonen der Durchgänge, die immer noch einen Bereich des reku­ perativen Wärmetauschers bilden, sind dann gleichzeitig ein Teil der Reaktionszone.

Der rekuperative Wärmetauscher kann beispielsweise als Rohrbündel-Wärmetauscher ausgebildet sein, wobei die in den Wärmetauscher integrierten Durchgänge quer vom Ab­ gas umströmt werden. Auch mehrfach wechselnde Strö­ mungsrichtungen der Verbrennungsabgase sind reali­ sierbar, wodurch ein Wärmetauscher nach dem Kreuz- Gegenstrom-Prinzip entsteht. Ebenso lassen sich statt rohrförmiger Durchgänge auch strukturierte oder gewell­ te Platten verwenden. Die Wärmeübertragung zu einem Er­ hitzerkopf einer thermisch betriebenen Anwendung er­ folgt dabei typischerweise durch Strahlung und Konvek­ tion.

Eine vorteilhafte Weiterbildung stellt die Realisierung eines rekuperativen Wärmetauschers mit Mikrokanälen als Zu- bzw. Ableitungen dar. Das Verbrennungsgemisch wird beim Passieren der Mikrokanäle des rekuperativen Wärme­ tauschers umgesetzt. Der Wärmetauscher in Mikrokanal­ ausführung weist Kanäle mit geringen hydraulischen Durchmessern, also mit geringen Kanalquerschnitten auf, die insbesondere mit Hilfe der Mikrostrukturtechnik herstellbar sind. Bei derartigen Brennern kann die Ver­ brennung, eventuell sogar flammenlos, direkt in den Mi­ krokanälen stattfinden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegen­ den Erfindung besteht darin, sowohl die Außengeometrie als auch die Anordnung der Durchgänge zueinander zu va­ riieren. Die Außengeometrie kann beispielsweise quader- oder zylinderförmig sein. Die Durchgänge sind bei­ spielsweise nebeneinander oder hintereinander angeord­ net. Zudem ist in vorteilhafter Weise eine Variation der Leitungsgeometrie möglich. Insbesondere kann dort, wo die Wärmetauscherzone in die Verbrennungszone über­ geht, der Querschnitt verringert sein. Dies kann bei­ spielsweise durch Querstreben erfolgen, die in die Durchgänge hineinragen. Besonders vorteilhaft ist aber eine kontinuierliche Verjüngung des Durchmessers mit zunehmender Temperatur des Verbrennungsgemisches. Auf diesem Wege ist eine Erwärmung des zündfähigen Gemi­ sches auf Temperaturen oberhalb der Zündtemperatur des Brenngases möglich.

Eine weitere vorteilhafte Form der Erfindung sieht vor, den Querschnitt der Durchgänge so zu bemessen, daß ein Energiegleichgewicht zwischen zugeführter und abge­ strahlter Energie besteht, beziehungsweise daß genauso viel Energie über die Strahlung der Leitungsaußenflä­ chen abgeführt werden kann, wie über den zugeführten Brennstoff nachgeliefert wird. Besonders bevorzugt ist ein Querschnittsdurchmesser, der im Bereich weniger Mi­ krometer liegt. Dadurch wird die während der Verbren­ nungsreaktion freigesetzte Wärme besonders effektiv an die Wandung abgegeben, wodurch die Reaktionstemperatur gut kontrollierbar wird.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, daß im Wärmetauscher in Bereichen niedriger Temperatur eine Isolation vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft ist eine reflektierende Isolation. Damit können die Strahlungsverluste, die auf den Temperaturgradienten zwischen Verbrennungszone und Wärmetauscher zurückzu­ führen sind, verringert werden. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn die Strahlung aus einem hohen Tempe­ raturniveau ausgekoppelt werden soll.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung be­ steht darin, mittels des rekuperativen Wärmetauschers nicht das vorgemischte Verbrennungsgemisch vorzuwärmen, sondern die zur Verbrennung benötigte Luft. Diese kann auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden und wird mit einem in separaten Zuleitungen zugeführten Brenngas erst unmittelbar in der Verbrennungszone vermischt. Da­ bei ist besonders eine Brennerplattengeometrie von Vor­ teil, bei der das Brenngas entweder in parallel ange­ ordneten Hohlkörpern geführt und über kleine Öffnungen in die heiße Verbrennungsluft eingedüst wird oder in Bohrungen einer aus einem porösen Material bestehenden Brennerplatte geführt wird und durch die Poren des po­ rösen Materials in die heiße Verbrennungsluft gelangt. Bei beiden Anordnungen ist ein weitgehend homogenes Verbrennungsgemisch gewährleistet.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Gasbrenners;

Fig. 2 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Gasbrenners gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Gasbrenners;

Fig. 4 den Gasbrenner gemäß Fig. 3 in einer Sei­ tenansicht;

Fig. 5 den Gasbrenner gemäß Fig. 3 und 4 in ei­ ner Draufsicht;

Fig. 6 eine dritte Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Gasbrenners;

Fig. 7 eine Ausführungsvariante des Gasbrenners gemäß Fig. 6;

Fig. 8 eine vierte Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Gasbrenners;

Fig. 9 eine fünfte Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Gasbrenners;

Fig. 10 eine Ausführungsvariante des Gasbrenners gemäß Fig. 9;

Fig. 11 eine Brennerplatte gemäß einer sechsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasbrenners in der Draufsicht;

Fig. 12 verschiedene Ausführungsvarianten der Bren­ nerplatte gemäß Fig. 11 im Querschnitt und

Fig. 13 eine Brennerplatte gemäß einer siebten Aus­ führungsform des erfindungsgemäßen Gasbrenners im Quer­ schnitt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 und 2 zeigen einen Gasbrenner 1 in einer ersten Ausführungsform. In einem geschlossenen Gehäuse 2 ist ein sogenannter rekuperativer Wärmetauscher 6 angeord­ net, der senkrecht zu seiner Längserstreckungsrichtung von den Verbrennungsabgasen 20 durchströmt wird. Das obere heiße Ende des rekuperativen Wärmetauschers 6 ist als Brennerplatte ausgestaltet, die einen Porenbrenner 21 beinhaltet. An einer Unterseite 2d des Gehäuses 2 ist ein Vormischbereich 4 in Form einer Kammer vorgese­ hen, in den eine Brennstoffzufuhr 12 und eine Luftzu­ fuhr 14 mündet. Im Vormischbereich werden zugeführtes Brenngas 13 und Luft 15 gleichmäßig miteinander ver­ mischt und als brennbares Verbrennungsgemisch 11 einer Vielzahl von engen Durchgängen 28 des Wärmetauschers 6 zugeführt. Diese senkrecht stehenden Durchgänge 28 wer­ den horizontal von den heißen Verbrennungsabgasen 20 in relativ breiten Abgasleitungen 30 umströmt, die dabei einen Großteil ihrer Wärmeenergie an das Verbrennungs­ gemisch 11 abgeben.

Die Durchgänge 28 sind zweckmäßigerweise so ausgeführt, daß ihr Durchmesser ausreichend klein ist, um eine Zün­ dung des Gemisches zu unterdrücken bzw. zu so hohen Temperaturen zu verschieben, daß eine Zündung vor der eigentlichen Verbrennungszone 22 nicht auftreten kann. Vorreaktionen im Inneren der Durchgänge 28 sind jedoch durchaus möglich.

Am oberen Ende des rekuperativen Wärmetauschers 6 be­ findet sich im Bereich der Austrittsöffnungen der Durchgänge 28 die Verbrennungszone 22 des Porenbrenners 21. Auf diese Weise wird eine Integration des Reakti­ onsbereichs in den rekuperativen Wärmetauscher 6 er­ reicht, so daß der rekuperative Wärmetauscher 6 zusätz­ lich die Rolle eines Flammenhalters beziehungsweise ei­ ner Brennerplatte übernimmt. Aufgrund der fehlenden räumlichen Distanz zwischen rekuperativem Wärmetauscher 6 und Verbrennungszone 22 kann auf diese Weise eine ef­ fektive Erwärmung des Verbrennungsgemisches 11 erreicht werden.

Neben dem beschriebenen Verbrennungsverfahren mit einem Porenbrenner 21 können durchaus auch andere Verbren­ nungsverfahren realisiert werden, wie beispielsweise eine konventionelle Flammenverbrennung.

Beabstandet von der Verbrennungszone 22 ist das Gehäuse 2 nach oben hin verschlossen und zur Verbrennungszone 22 hin mit einer Vielzahl von senkrecht nach unten wei­ senden flachen Wärmetauscherrippen 24 versehen. Diese werden von den heißen Verbrennungsabgasen 20 umströmt, wobei eine Wärmeübertragung sowohl durch Strahlung als auch durch Konvektion erfolgen kann. An der Außenseite der Oberseite 2a des Gehäuses 2 befindet sich ein Er­ hitzerkopf 26, beispielsweise eines Stirlingmotors. Die die Verbrennungszone 22 vertikal verlassenden heißen Verbrennungsabgase 20 werden nach unten insgesamt um zirka 270° umgelenkt und durchströmen den rekuperativen Wärmetauscher 6 horizontal. Nachdem eine weitestgehende Wärmeübertragung auf das Verbrennungsgemisch erfolgt ist, treten die kalten Verbrennungsabgase 19 durch ei­ nen aus dem Gehäuse 2 heraus führenden Abgaskanal 18 aus. Der erfindungsgemäße Gasbrenner 1 wird extern ge­ startet, zum Beispiel über einen Zündfunken, eine Glüh­ kerze oder durch externes Erhitzen, bis die Verbren­ nungsreaktion in der Verbrennungszone 22 stabil ist.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasbrenners. In diesen Figuren ist ein Plattenwärmetauscher 7 mit einmal wechselnder Abgasströmungsrichtung dargestellt, wodurch ein Kreuz- Gegenstrom-Prinzip entsteht. Die Platten 8 sind dabei so strukturiert, daß sie Durchgänge 29 für die Zufuhr des Verbrennungsgemisches 11 vom Vormischbereich 4 zur Verbrennungszone 22 beinhalten und senkrecht dazu Ab­ gasleitungen 31. Es eignen sich sowohl glatte, besser aber strukturierte oder gewellte Platten 8, um eine größere Oberfläche und damit eine bessere Wärmeübertra­ gung zu gewährleisten.

Die heißen Verbrennungsabgase 20 kommen zunächst mit den Wärmetauscherrippen 24 in Kontakt, die an der Ober­ seite 2a des Gehäuses 2 vorgesehen sind und einen Wär­ meübergang zum Erhitzerkopf 26 ermöglichen. Die Ver­ brennungsabgase 20 werden dabei umgelenkt und durch­ streichen die obere Hälfte des rekuperativen Wärmetau­ schers 6 vollständig, werden an der entgegengesetzten Gehäuseseite vorzugsweise um 180° umgelenkt und durch­ strömen die untere Hälfte des rekuperativen Wärmetau­ schers 6. Die kalten Verbrennungsabgase 19 verlassen durch den Abgaskanal 18 schließlich den Gasbrenner. Die Abgaskanäle 31 sind horizontal unterteilt durch eine Trennebene 32, wodurch die Verbrennungsabgase umgelenkt werden. Auf diesem Wege entsteht eine Trennung der Wär­ metauscherzone 9 in eine obere Hälfte 9a und eine unte­ re Hälfte 9b, wobei die untere Hälfte des Plattenwärme­ tauschers 7 eine niedrigere Temperatur aufweist als die obere Hälfte.

Die Fig. 6 zeigt eine dritte Ausführungsform des Gas­ brenners 1 und Fig. 7 eine Ausführungsvariante hierzu. In einem Gehäuse 2 mit drei geschlossenen Seiten 2a, 2b und 2c und einer offenen Seite 2d ist eine kombinierte Brenner-Wärmetauschereinheit 34 aufgenommen. Diese Ein­ heit 34 weist auf einer Seite eine Anschlußzone 5 und auf der gegenüberliegenden Seite eine Verbrennungszone 22 auf. Die Einheit 34 birgt weiterhin einen rekupera­ tiven Wärmetauscher 6 in Mikrokanalausführung. Darin sind dicht nebeneinander, parallel zueinander verlau­ fende Durchgänge 28 für das Verbrennungsgemisch 11 und Abgasleitungen 30 für die Ableitung der Verbrennungsab­ gase 20 angeordnet, wobei sich an jeden Durchgang 28 jeweils eine Abgasleitung 30 anschließt. Die Leitungen 28 und 30 weisen einen geringen Durchmesser auf, der im Ausführungsbeispiel vorzugsweise im Bereich weniger Mi­ krometer liegt.

Die Öffnungen der Durchgänge 28 und der Abgasleitungen 30 an der unteren offenen Seite 2d des Gehäuses 2 ent­ sprechen der Anschlußzone 5. In diesem Bereich werden das Verbrennungsgemisch 11 zugeführt und die Verbren­ nungsabgase 20 abgeleitet. Der rekuperative Wärmetau­ scher 6 weist zwischen der Anschlußzone 5 und der Ver­ brennungszone 22 eine eigentliche Wärmetauscherzone 9 auf. Die Verbrennungszone 22 geht dabei fließend in die Wärmetauscherzone 9 über, wie es in der Darstellung mit verschieden hellen Schattierungen angedeutet ist.

Das Verbrennungsgemisch 11 wird in die Durchgänge 28 in der durch den Pfeil A symbolisierten Zuführrichtung eingeleitet, gelangt in die Verbrennungszone 22 und wird dort verbrannt. Die heißen Verbrennungsabgase 20 strömen in den parallel verlaufenden Abgasleitungen 30 entgegen der Zuführrichtung A in einer durch den Pfeil B symbolisierten gegenläufigen Richtung zurück. Die Durchgänge 28 bzw. Abgasleitungen 30 haben einen so kleinen Querschnitt, daß die bei der Verbrennungsreak­ tion in der Verbrennungszone 22 freigesetzte Wärme bei sehr kleinen Temperaturdifferenzen an die Kanalwand ab­ gegeben wird. Dieser Querschnitt kann wie im vorherge­ henden Ausführungsbeispiel im Bereich weniger Mikrome­ ter liegen. Dadurch wird die sich ergebende Reaktion­ stemperatur über den Massenstrom der zugeführten Brenn­ stoffe, vorzugsweise gasförmiger Brennstoffe, kontrol­ lierbar. Ähnlich wie bei der katalytischen Verbrennung kann die für die Stickoxidbildung kritische Reaktion­ stemperatur sicher unterschritten werden.

Aufgrund der Mikrostruktur der Leitungen 28 und 30 ent­ steht auf kleinem Raum genügend Oberfläche, um die in den Verbrennungsabgasen 20 enthaltene Wärmeenergie wei­ testgehend an das in den Durchgänge 28 zuströmende Ver­ brennungsgemisch abzugeben. Die Verbrennungsabgase 20 verlassen den Gasbrenner 1 an der Anschlußzone 5 als praktisch kaltes Verbrennungsabgas 19. Die Wärmeüber­ tragungseigenschaften des rekuperativen Wärmetauschers 6 richten sich nach Auswahl, Beschichtung und/oder Strukturierung des keramischen Materials, aus dem der rekuperative Wärmetauscher gefertigt ist.

Für den Fall, daß die Wärmestrahlung der heißen Ver­ brennungsabgase 20 nur auf einem hohen Temperaturniveau ausgekoppelt werden soll, ist eine Isolation 10 in Be­ reichen niedriger Temperatur, wie beispielsweise in den der Anschlußzone 5 benachbarten Bereichen der Wärmetau­ scherzone 9 vorgesehen, die in Fig. 6 gestrichelt an­ gedeutet sind. Die Isolation 10 ist vorzugsweise eine reflektierende Isolation, so daß möglichst wenig Strah­ lung verlorengeht.

Fig. 7 zeigt eine derartige Variante des in Fig. 6 dargestellten Vormischbrenners 1. Hierbei liegen die Durchgänge 28 und die Abgasleitungen 30 nicht nebenein­ ander, sondern hintereinander. Weitere Varianten beste­ hen je nach Verwendungszweck in Änderungen der Lei­ tungsführung und/oder -querschnitte, sowie der Außen­ geometrie, die zum Beispiel auch zylindrisch oder qua­ derförmig sein kann. Es ist lediglich darauf zu achten, daß der Leitungsquerschnitt so gewählt ist, daß die bei der Umsetzung freigesetzte Wärme nicht zur Überhitzung des Systems führen kann.

In Fig. 8 ist eine vierte Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Gasbrenners in einer mit Fig. 6 ver­ gleichbaren Darstellung abgebildet. Der Unterschied zu den in Fig. 6 und 7 gezeigten Varianten besteht darin, daß beim Übergang der Wärmetauscherzonen 9 in die Ver­ brennungszone 22 der Querschnitt der Leitungen 28 und 30 durch Querstreben 36 lokal verkleinert wird. Damit ist die Verbrennungszone 22 nicht diffus verteilt, wie es in Fig. 6 durch die gepunktete Darstellung angedeu­ tet ist, sondern sie ist relativ scharf begrenzt.

Eine Verengung der Leitungsquerschnitte kann auch kon­ tinuierlich erfolgen. In Abb. 9 ist eine derartige Ausführungsform dargestellt. Der Durchgang 28 ist dabei innerhalb der Abgasleitung 30 angeordnet. Im Bereich der Wärmetauscherzone 9 verjüngt sich der Leitungsquer­ schnitt des Durchgangs 28 in Strömungsrichtung mit zu­ nehmender Temperatur des Verbrennungsgemisches 11 und verhindert so wirkungsvoll eine vorzeitige Zündung des Verbrennungsgemisches. Mittels dieser Anordnung ist ei­ ne Erwärmung des Verbrennungsgemisches 11 auch über die eigentliche Zündtemperatur des Brenngases 13 hinaus möglich, da bei genügend kleinen Leitungsdurchmessern die Zündtemperatur stark erhöht wird. Das hocherhitzte Verbrennungsgemisch 11 tritt beim Verlassen des Durch­ gangs 28 unmittelbar in die Verbrennungszone 22 ein, die beispielsweise mit einem Porenbrenner 21 versehen ist. Die freigesetzten Verbrennungsabgase 20 dienen zur Erwärmung eines nicht dargestellten Heißgasreservoirs bevor sie durch die Abgasleitung 30 des rekuperativen Wärmetauschers 6 geleitet werden und dort die Erwärmung des Verbrennungsgemisches 11 bewirken. Der Durchmesser der Abgasleitung 30 ist dabei dem sich verändernden Querschnitt des Durchgangs 28 angepaßt. Es ist auch möglich, mehrere Durchgänge 28 und Abgasleitungen 30 in den rekuperativen Wärmetauscher 6 zu integrieren.

In Fig. 10 ist eine Ausführungsvariante der in Fig. 9 dargestellten fünften Ausführungsform abgebildet. Diese Variante beruht ebenfalls auf dem Prinzip, daß sich der Durchmesser des Durchgangs 28 mit zunehmender Tempera­ tur in Strömungsrichtung des Verbrennungsgemisches 11 verjüngt, die Brennerplatte 27 ist gegenüber dem in Fig. 9 dargestellten Aufbau jedoch in Form eines Zylin­ dermantels ausgestaltet, der das Heißgasreservoir 37 umschließt. Eine weitere Besonderheit dieser Variante besteht darin, daß innerhalb der Wärmetauscherzone 9 zwei separate Abgasleitungen 30, 30' vorgesehen sind, wobei die Abgasleitung 30 den Durchgang 28 umhüllt, während die Abgasleitung 30' innerhalb des Durchgangs 28 verläuft. In beiden Abgasleitungen 30, 30' wird das Verbrennungsabgas antiparallel zur Strömungsrichtung des Verbrennungsgemisches 11 geführt. Diese Anordnung ermöglicht in doppelter Hinsicht eine gute Wärmeüber­ tragung, sowohl von den Verbrennungsabgasen 19 auf das Heißgasreservoir 37, bedingt durch die Brennergeome­ trie, als auch von den Verbrennungsabgasen 19 auf das Verbrennungsgemisch 11. Zusätzlich bietet auch diese Anordnung die Möglichkeit, das Verbrennungsgemisch 11 auf Temperaturen über der eigentlichen Zündtemperatur des Brenngases 13 zu erhitzen.

Verzichtet man auf die Erwärmung eines vorgemischten Verbrennungsgemisches 11, erhitzt statt dessen die Luft 15 und führt die erhitzte Luft 15 und das Brenngas 13 getrennt einer Brennerplatte 27 zu, so ermöglicht diese sechste Ausführungsform eine Auskopplung der in den Verbrennungsabgasen gespeicherten Energie auf einem sehr hohen Niveau, da für die Erwärmung der Luft 15 keiner­ lei Temperaturgrenzen gelten. Der erfindungsgemäße Gas­ brenner weist keine räumliche Distanz zwischen rekupe­ rativem Wärmetauscher 6 und der Verbrennungszone 22 auf und es treten daher nach der Erwärmung der Luft kaum Wärmeverluste auf, wenn es gelingt, Luft 15 und Brenn­ gas 13 rasch und möglichst homogen innerhalb der Ver­ brennungszone 22 zu mischen. Eine rasche Vermischung beider Komponenten ist nötig, da sich aufgrund der stark erhitzten Luft 15 das entstehende Verbrennungsge­ misch 11 sofort entzündet.

In Fig. 11 ist eine Brennerplatte 27 gemäß dieser sechsten Ausführungsform dargestellt, die gleichzeitig die Verbrennungszone 22 bildet. Die Brennerplatte 27 besteht aus einer Vielzahl parallel angeordneter Hohl­ körper 16, die beispielsweise aus einem hitzebeständi­ gen Material wie einer Nickel-Chrom-Legierung (INCONEL der Firma Inco Ltd.) oder einem siliciuminfiltrierten Siliciumcarbid bestehen. Die Hohlkörper 16 weisen Öff­ nungen 17 auf, die, wie in Fig. 12a bis d dargestellt, in Form von Bohrungen in einer oder mehreren Reihen übereinander ausgeführt sein können; es eignen sich aber auch in die Hohlkörper 16 integrierte feinmaschige Ausströmgitter 23. Diese Öffnungen 17 sind stets auf der dem benachbarten Hohlkörper zugewandten Längsseite des Hohlkörpers 16 angebracht. Der Querschnitt der Hohlkörper 16 kann je nach Ausführung quadratisch, rechteckig, rund oder oval sein.

Durch die Hohlkörper 16 wird der Brennerplatte 27 das. Brenngas 13 zugeführt, das über die Öffnungen 17 in die Verbrennungszone 22 dringt. Senkrecht zur Längsrichtung der Hohlkörper 16 wird parallel zur Oberfläche der Brennerplatte 27 die erwärmte Luft 15 eingeblasen. An den Öffnungen 17 der Hohlkörper 16 entsteht jeweils lo­ kal ein sich sofort entzündendes Gemisch, das aufgrund seiner Homogenität zu einer schadstoffarmen Verbrennung führt. Die Brennerplatte 27 kann zusätzlich eine über den Hohlkörpern 16 angeordnete Porenstruktur 21 aufwei­ sen.

Um die guten Verbrennungseigenschaften einer Poren­ struktur mit dem Vermischungskonzept der sechsten Aus­ führungsform direkt zu kombinieren, werden alternativ die Hohlkörper 16 aus einem porösen Material gefertigt, wie beispielsweise aus einer Aluminiumoxidkeramik mit 20-40% Porosität oder einem Edelstahl DIN × 2 Cr Ni Mo 18 10 mit 40% Porosität. Das Brenngas 13 diffundiert durch die Poren des Materials und gelangt so in die Verbrennungszone 22. Die Anbringung von Öffnungen 17 an den Hohlkörpern 16 erübrigt sich.

Anstatt eine Vielzahl von porösen Hohlkörper 16 vorzu­ sehen kann auch eine aus einem porösen Material gefer­ tigte und mit Aussparungen versehene Brennerplatte 27' verwendet werden. Eine Brennerplatte 27' gemäß dieser siebten Ausführungsform ist in Fig. 13 dargestellt. Die Brennerplatte 27' beinhaltet eine Vielzahl von par­ allel angeordneten Aussparungen, die als Brenngaszulei­ tungen 25 dienen und in denen das Brenngas 13 parallel zur Oberfläche der Brennerplatte 27' geführt wird. Die Brennerplatte 27' kann planar oder, wie in Fig. 13 dargestellt, gekrümmt sein. Das Brenngas 13 wird über die Brenngaszuleitungen 25 der Brennerplatte 27' zuge­ führt, diffundiert durch das poröse Material der Bren­ nerplatte 27' und gelangt in die Verbrennungszone 22. Die rekuperativ vorerhitzte Luft 15 wird senkrecht zur Oberfläche der Brennerplatte 27' eingeblasen. Aufgrund der Porenstruktur der Brennerplatte 27' entwickelt sich ein hoher Strahlungsanteil bei der Verbrennung und der Brenner weist dadurch einen hohen Wirkungsgrad auf.

Die Herstellung der aus einem porösen Material beste­ henden Brennerplatte 27' bzw. der Hohlkörper 16 erfolgt durch Sinterung eines keramischen bzw. metallischen Pulvers, wobei die Brenngaszuleitungen 25 in Form von Aussparungen berücksichtigt werden.

Wird bei einem Gasbrenner gemäß dem sechsten und sieb­ ten Ausführungsbeispiel nicht nur die Luft 15 vorer­ hitzt sondern auch das separat zugeführte Brenngas 13, so läßt sich der Wirkungsgrad des Gasbrenners weiter steigern. Hierbei wird die Luft 15 möglichst auf die Temperatur der Verbrennungsabgase 20 erwärmt (ungefähr 800°C) und das Brenngas auf Temperaturen knapp unter der Zündtemperatur (ungefähr 600°C).

Der erfindungsgemäße Gasbrenner bzw. das erfindungsge­ mäße Verfahren zum Betrieb desselben sind nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, son­ dern es sind je nach Anwendung weitere Ausgestaltungs­ möglichkeiten von rekuperativem Wärmetauscher und Ver­ brennungszone möglich.

Claims (30)

1. Gasbrenner mit einer Brennerplatte, mit einer Brenngaszufuhr und einer Luftzufuhr oder mit einer Zu­ fuhr für ein Verbrennungsgemisch und mit mindestens ei­ ner Abgasleitung zur Ableitung der Verbrennungsabgase, wobei ein Wärmeübergang von den Verbrennungsabgasen auf die Luft oder das Verbrennungsgemisch mittels eines re­ kuperativen Wärmetauschers erfolgt, der mindestens ei­ nen Durchgang für die Luft oder das Verbrennungsgemisch aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Brenner­ platte (21, 27, 27') im Bereich eines Austritts der Luft (15) oder des Verbrennungsgemisches (11) aus dem Wärmetauscher (6) befindet.

2. Gasbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Brennerplatte (27) einen Porenbrenner (21) beinhaltet.

3. Gasbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß innerhalb des Wärmetauschers (6) in Bereichen niedriger Temperatur eine Isolation (10), insbesondere eine reflektierende Isolation, vorgesehen ist (Fig. 7).

4. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß im Falle mehrerer Durchgänge (28, 29) diese nebeneinander angeordnet sind.

5. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Durchgang (28, 29) und/oder die Abgasleitung (30) innerhalb des Wärmetau­ schers (6) in Form von Mikrokanälen ausgeführt sind (Fig. 6 bis 8).

6. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß an der Austrittsöff­ nung des Durchgangs (28, 29) aus dem Wärmetauscher (6) der Querschnitt des Durchgangs (28) verringert ist.

7. Gasbrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Verringerung des Querschnitts des Durch­ gangs (28) Querstreben (36) vorgesehen sind (Fig. 8).

8. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgang (28, 29) zumindest teilweise innerhalb der Abgasleitung (30) angeordnet ist (Fig. 9, 10).

9. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerplatte (27) eine Vielzahl zueinander und zur Oberfläche der Bren­ nerplatte (27) parallel angeordneter Hohlkörper (16) umfaßt, die Austrittsöffnungen (17) an den Längsseiten aufweisen, durch die das Brenngas (13) in die Luft (15) gelangt und sich mit dieser vermischt (Fig. 11, 12).

10. Gasbrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (17) dergestalt an den Längsseiten der Hohlkörper (16) angebracht sind, daß sie den jeweils benachbarten Hohlkörpern zugewandt sind.

11. Gasbrenner nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (17) in Form von Bohrungen in einer oder mehreren Reihen übereinander ausgeführt sind (Fig. 12).

12. Gasbrenner nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (17) in Form von in die Hohlkörper (16) eingearbeiteten Ausströmgittern (23) ausgeführt sind (Fig. 12).

13. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Hohlkörper (16) eine Nickel-Chrom-Legierung enthält.

14. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Hohlkörper (16) ein siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid enthält.

15. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Brennerplatte (27) eine Vielzahl zueinander und zur Oberfläche der Brennerplat­ te (27) parallel angeordneter Hohlkörper (16) aus einem porösen Material umfaßt. (Fig. 11).

16. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Brennerplatte (27') eine Vielzahl zueinander und zur Oberfläche der Brennerplat­ te (27') parallel angeordneter Aussparungen in einem porösen Material als Brenngaszuleitungen (25) umfaßt. (Fig. 13).

17. Gasbrenner nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material eine Keramik beinhaltet.

18. Gasbrenner nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik eine Aluminiumoxidkeramik ist.

19. Gasbrenner nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material ein Edelstahl DIN × 2 Cr Ni Mo 18 10 ist.

20. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material eine Porosität von 20 bis 40% aufweist.

21. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerplatte (27) in Form eines Zylindermantels ausgeführt ist und ein Heißgasreservoir (37) umschließt (Fig. 10).

22. Verfahren zum Betrieb eines Gasbrenners, der mit einem Verbrennungsgemisch aus Luft und Brenngas betrieben wird, wobei eine Erwärmung der Luft oder des Verbrennungsgemisches mittels eines rekuperativen Wärmetauschers erfolgt, der einen Wärmeübergang von den Verbrennungsabgasen des Gasbrenners auf die Luft oder das Verbrennungsgemisch bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft (15) oder das Verbrennungsgemisch (11) mittels des Wärmetauschers (6) auf eine Temperatur erwärmt werden, die über der Zündtemperatur des Brenngases (13) liegt.

23. Verfähren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrennungsgemisch (11) auf eine Temperatur erwärmt wird, die über der Zündtem­ peratur des Brenngases (13) liegt, wobei zur Vermeidung einer vorzeitigen Zündung des Verbrennungsgemisches (11) der Durchmesser des Durchgangs (28) innerhalb des Wärmetauschers (6) in Richtung einer zunehmenden Temperatur des Verbrennungsgemisches (11) vorzugsweise kontinuierlich verjüngt wird (Fig. 9, 10).

24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zunächst in einem Vormischbereich (4) eine Vermischung von Luft (15) und Brenngas (13) zum Verbrennungsgemisch (11) erfolgt und dieses dann dem Durchgang (28, 29) zur Brennerplatte (21, 27) zugeführt wird.

25. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft (15) auf eine Temperatur oberhalb der Zündtemperatur des Brenngases (13) erwärmt und unmittelbar in der Brennerplatte (27) mit dem Brenngas (13) vermischt wird.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Brenngas (13) in der Brennerplatte in parallel angeordnete und mit Austrittsöffnungen (17) versehene Hohlkörper (16) geleitet wird, während die vorgewärmte Luft (15) in der Brennerplatte (27) senkrecht zur Längsrichtung der Hohlkörper (16) und parallel zur Oberfläche der Brennerplatte (27) geführt wird (Fig. 11, 12).

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Wärmetau­ schers (6) die Strömungsrichtung der Verbrennungsabgase (20) antiparallel zur Durchgangsrichtung des Verbren­ nungsgemisches (11) verläuft.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Wärmetau­ schers (6) der Durchgang (28, 29) im wesentlichen senk­ recht zu seiner Längserstreckungsrichtung von den Ver­ brennungsabgasen (20) umströmt wird (Fig. 1 bis 4).

29. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strömungsrichtung der Verbren­ nungsabgase (20) wenigstens einmal vorzugsweise um 180° umgelenkt wird (Kreuz-Gegenstrom-Prinzip)(Fig. 3, 4).

30. Verwendung eines Gasbrenners nach einem der Ansprüche 1 bis 21 als Heißgasquelle zum Betrieb eines Stirlingmotors.