DE4322109C2 - Brenner für ein Gas/Luft-Gemisch - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner für ein Gas/- Luft-Gemisch mit einem Gehäuse, das einen Brennraum mit einem Einlaß für das Gemisch, einen Bereich der Flammentwicklung und einen Auslaß für das Abgas aufweist und dessen Brennraum ein poröses Material mit zusammenhängenden Hohlräumen ent­ hält, deren Porengröße sich in Flußrichtung des Gemisches än­ dert.

Ein derartiger Brenner ist aus der DE-OS 22 11 297 bekannt. Dort ist ein Brenner mit an einem Wandelement frei brennenden Flammen offenbart. Das Wandelement ist in einem Gehäuse als poröser Körper ausgebildet, durch den ein Gas/Luft-Gemisch in den Innenraum des Brenners geführt wird. Die Porengröße nimmt in Strömungsrichtung ab. Dieser Porenkörper dient so nur da­ zu, ein Rückschlagen von Flammen zu verhindern.

In diesem Brenner werden Schadstoffe wie NO_x oder CO gebil­ det. Diese giftigen und gesundheitsschädlichen Gase entstehen bei hoher Flammtemperatur bzw. bei unvollständiger Verbren­ nung in unstabilen Flammen. Eine unvollständige Verbrennung des Gas/Luft-Gemisches setzt auch den Wirkungsgrad herab.

Die DE-PS 13 03 596 beschreibt einen Strahlungsbrenner mit einem mehrschichtigen porösen Körper, wobei die Körnung der äußeren Schicht gröber als die der inneren Schicht ist. Gemäß dieser Druckschrift sollen die entzündeten Gase so nah wie möglich an der freiliegenden Vorderseite des porösen Körpers brennen. Die Flammentemperatur wird aufgrund des Porenkörpers vergleichmäßigt. Bei Strahlungsbrennern steigt die Strah­ lungsleistung mit der vierten Potenz der Temperatur, dies ist Grund, daß stets hohe Flammentemperaturen gefordert werden, die dann allerdings auch eine hohe Schadstoffemission nach sich ziehen.

Es ist allgemein bekannt, daß zur Reduzierung von Schadstof­ fen vor allem eine niedrige Flammentemperatur wichtig ist, wobei die Brennstoffe möglichst vollständig zu verbrennen sind. Hierbei werden Stabilitätsprobleme aber umso wichtiger, je geringer die Flammentemperatur gewählt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brenner für ein Gas/Luft- Gemisch gattungsgemäßer Art zu schaffen, bei dem die Flamme bei niedriger Temperatur und schadstoffemissionsstabil brennt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der gesamte den Brenn­ raum bildende Bereich des Gehäuses mit dem porösen Material ausgefüllt ist und daß die Porengröße des Materials längs des Brennraumes vom Einlaß zum Auslaß zunimmt, wobei sich in ei­ ner Zone oder an einer Grenzfläche innerhalb des Materials für die Porengröße eine kritische Péclet-Zahl ergibt, ober­ halb der die Flammentwicklung erfolgt und unterhalb der sie unterdrückt ist.

Nach diesem erfindungsgemäßen Vorschlag ist das Gehäuse mit einem porösen Material gefüllt, das die Eigenschaft besitzt, der Strömung des Gas/Luft-Gemisches einen Widerstand entge­ genzusetzen, so daß die zur Verbrennung anstehende Gemisch­ menge gedrosselt wird.

Bei einer bestimmten Porengröße sind die chemische Reaktion der Flamme und die thermische Relaxation gleich groß, so daß unterhalb dieser Porengröße keine Flamme entstehen kann, dar­ über jedoch eine freie Entflammung stattfindet. Diese Bedin­ gung wird geeigneterweise mit Hilfe der Péclet-Zahl beschrie­ ben, die das Verhältnis von Wärmestrom infolge Transport zu Wärmestrom infolge Leitung angibt. Entsprechend der Porosi­ tät, bei der eine Entflammung einsetzen kann, gibt es eine überkritische Péclet-Zahl für die Flammentwicklung. Da die Flamme nur in dem Bereich mit der kritischen Péclet-Zahl ent­ stehen kann, wird eine selbststabilisierende Flammenfront im porösen Material erzeugt.

Die Verwendung eines porösen Materials im Brennraum bedingt auch eine hohe Wärmekapazität, wodurch eine im porösen Mate­ rial lokal gespeicherte hohe Wärmeenergie und hohe Effizi­ enzwerte in vorteilhafter Weise erreicht werden können. Wie­ ter hat diese hohe Wärmekapazität auch den Vorteil, daß ein Wärmetauscher beispielsweise zur Erwärmung von Wasser, zur Erzeugung von Heißwasser oder Dampf im Brennraum mit guter Wärmeübertragung integriert werden kann. Die hohe Leistungs­ dichte ist auf eine hohe Verbrennungsgeschwindigkeit im porö­ sen Medium und eine große Flammenfrontoberfläche, die auf­ grund der Porosität entsteht, zurückzuführen.

Das poröse Material hat auch den Vorteil, daß in der Strömung des Gas/Luft-Gemisches eine hohe Turbulenz entsteht, wodurch bis zu 50 mal höhere als normale Verbrennungsgeschwindigkei­ ten erreicht werden können. Damit sind vor allem hohe Ver­ brennungsgrade verbunden. An einem weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden Messungen durchgeführt, die zei­ gen, daß für die Wärmeausnutzung Effizienzen größer als 95% erreicht werden können.

Da das poröse Material selbst die Flamme kühlt, werden ent­ sprechend niedrige Flammentemperaturen in Verbindung mit niedrigen Emissionswerten erreicht. Es ist daher keine Abküh­ lung der Flamme nötig. Da das poröse Material dem Gasfluß selbst einen Widerstand entgegensetzt, arbeitet der erfin­ dungsgemäße Brenner im wesentlichen unter einem weiten Druck­ bereich. Dadurch ist der Betrieb unter verschiedensten Drüc­ ken und sogar unter Hochdruck möglich. Für den erfindungsge­ mäßen Brenner ist also ein großer Anwendungsbereich gegeben.

Die Flammentwicklung im porösen Material ist bereits unter­ sucht und beschrieben worden (V. S. Babkin, A. A. Korzhavin und V. A. Bunev: Propagation of Premixed Gaseous Explosion Flames in Porous Media. In: Combustion and Flame, Band 87, 1991, S. 182 bis 190). Von diesen Autoren wird der Ausbreitungsmecha­ nismus für Flammen wie folgt beschrieben.

Im porösen Material werden Turbulenzen im Brennstoffluß er­ zeugt. Eine positive Rückkopplung zwischen Flammenbeschleuni­ gung und der Erzeugung von Turbulenzen wird durch lokale Un­ terdrückung von chemischen Reaktionen aufgrund intensiven Wärmeaustausches in der turbulenten Flammenzone gedämpft. Wenn die charakteristische Zeit des thermischen Ausgleichs kleiner wird als die chemische Konversion, wird die Flammbil­ dung verhindert. Da außerdem bei turbulenter Strömung die verschiedensten Geschwindigkeiten auftreten, werden die An­ teile der Flamme mit maximalen Geschwindigkeiten unterdrückt, wodurch eine stabile Flammenausbreitung erzeugt wird.

Für die Péclet-Zahl wird von den Autoren die folgende Glei­ chung angegeben:

P_e = (S_Ld_mc_pρ)/λ,

wobei S_L die laminare Flammengeschwindigkeit, d_m der äquiva­ lente Durchmesser für den mittleren Hohlraum des porösen Ma­ terials, c_p die spezifische Wärme des Gasgemisches, ρ die Dichte des Gasgemisches und λ die Wärmeleitzahl des Gasgemi­ sches ist. Die Gleichung zeigt, daß die Eigenschaften des po­ rösen Materials nur über d_m in die Gleichung eingehen. Die Péclet-Zahl ist also unabhängig von den Materialeigenschaften und nur abhängig von der Porosität. Es können also beim er­ findungsgemäßen Brenner die verschiedensten Materialien als poröses Material und unterschiedliche geometrische Formen verwendet werden.

Im übrigen sind alle in die Gleichung eingehenden Werte meß­ bar, so daß mit Hilfe der angegebenen Gleichung eine techni­ sche Lehre gegeben ist, die sich auf die verschiedensten Gas­ gemische anwenden läßt.

Eigene Experimente führten zu einer kritischen Péclet-Zahl von 65 ± 25 für die Flammenfortpflanzung in porösem Material, wobei die Varianz im wesentlichen durch extrem unterschiedli­ che Gaszusammensetzungen gegeben ist. Bei Erdgas/Luft- Gemischen ist aber im wesentlichen eine Péclet-Zahl von 65 zu erwarten.

Aus der US 5 165 884 ist bereits eine Einrichtung zur schad­ stoffarmen Verbrennung von Gasen und Dämpfen in einem Reaktor bekannt, der poröses Material in Form keramischer Kugeln un­ terschiedlicher Größe enthält. Dabei werden Temperaturen an mehreren Stellen im Reaktor gemessen und die Flußrate und/oder Flußmenge in Abhängigkeit der Temperaturänderungen in der zur Verbrennung vorgesehenen Matrix gesteuert, wodurch eine Stabilisierung des Verbrennungsvorganges erfolgt. Auf­ grund der Stabilisierung entsteht eine kühle Zone und eine heiße Zone, zwischen denen eine mittlere Zone für die Rege­ lung eingestellt wird und in der sich eine Verbrennungswelle ausbreitet. Die Zonen beziehen sich hier aber ausschließlich auf die Temperatur und nicht auf die Matrix wie bei der Er­ findung. Die Brennräume sind nicht durch Kugelschichten ver­ wirklicht, sondern befinden sich darüber oder darunter. Über die Porengröße der Matrix ist nichts angegeben.

Weiter ist aus dieser Druckschrift nichts dafür entnehmbar, daß die Péclet-Zahl für die Stabilisierungs des Verbrennungs­ prozesses genutzt wird. Gegen eine Nutzung der Péclet-Zahl spricht sogar die erwähnte Notwendigkeit einer Vorwärmung des Porenkörpers oberhalb der Zündtemperatur. Dies impliziert, daß der Porenkörper des Brennraums in einem Péclet-Zahl- unterkritischen Bereich arbeitet. Dagegen findet der Verbren­ nungsprozeß bei der Erfindung in einem Péclet-Zahl- überkritischen Bereich statt. Es sind auch keine speziellen Zonen mit unterkritischer und überkritischer Péclet-Zahl aus­ gebildet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen angegeben.

Die kritische Péclet-Zahl gemäß Patentanspruch 2 wurde auf­ grund von Versuchen für verschiedene Gas/Luft-Gemische ermit­ telt. Es ergibt sich jedoch eine große Streuung je nach Art des Gases, wobei aber festgestellt wurde, daß bei Gas/Luft- Gemischen unabhängig vom Mischungsverhältnis und von der Zu­ sammensetzung des Erdgases die kritische Péclet-Zahl 65 be­ trägt. Diese Erkenntnis zeigt, daß die Péclet-Zahl der geeig­ nete Parameter ist, um die Porosität des auszuwählenden Mate­ rials bei einem erfindungsgemäßen Brenner zu bestimmen. Die gegebene Lehre erlaubt dem Fachmann, ohne große Vorversuche, einen erfindungsgemäßen Brenner durch die Auslegung der Poro­ sität des porösen Materials auf eine kritische Péclet-Zahl von 65 hinsichtlich der Betriebsart festzulegen.

Der Brenner gemäß der erfindungsgemäßen Lehre kann einen kon­ tinuierlichen Übergang von einer geringen Porosität zu einer hohen Porosität im Brennraum aufweisen, wobei dann die Flam­ mentwicklung bei einer Porosität mit der kritischen Péclet- Zahl beginnt. Da die kritische Péclet-Zahl aber bei verschie­ denen Gas/Luft-Gemischen auch variieren kann, hätte dies bei kontinuierlichem Verlauf der Porosität den Nachteil, daß sich die Flamme bei unterschiedlichen Bedingungen verschieben könnte. Um eine definierte Position für die Flammentwicklung zu schaffen, sind die Maßnahmen nach Patentanspruch 3 vorge­ sehen. Aufgrund dieser Maßnahmen ist die Flammentstehung auf die Fläche bzw. den Bereich zwischen den beiden Zonen festge­ legt, und zwar im wesentlichen unabhängig von Betriebsparame­ tern, die zu einer Variation der kritischen Péclet-Zahl füh­ ren könnten. Die Festlegung des Ortes der Flammentstehung er­ höht also weiter die Stabilität und erlaubt es, einen Brenner zu bauen, der über einen weiten Einsatzbereich verwendbar ist. Aufgrund der Grenzwerte ist der gesamte bekannte Varia­ tionsbereich von kritischen Péclet-Zahlen, die 65 ± 25 betra­ gen können, abgedeckt. Die angegebenen Werte für die Ausle­ gung der Zonen für Péclet-Zahlen < 40 bzw. < 90 sind, wie später an dem Ausführungsbeispiel deutlich wird, einfach zu verwirklichen.

Das hitzebeständige poröse Material gemäß Patentanspruch 4 und 5 kann gefertigt werden, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Hitzbeständigkeit muß für normale Haushalts­ brenner nicht besonders hoch sein, da die Flamme durch das poröse Material selbst gekühlt wird. Versuche haben gezeigt, daß bei erfindungsgemäßen Brennern mit einer Leistungsfähig­ keit von 9 kW die Temperaturen unterhalb von 1400°C bleiben. Deshalb steht eine Vielzahl von möglichen Materialien zur Verfügung, so daß die Materialauswahl nicht nur nach techni­ schen Gesichtspunkten getroffen werden kann, sondern ein Brenner auch bezüglich eines kostengünstigen Aufbaus und ei­ nes geringen fertigungstechnischen Aufwands optimiert werden kann.

Mit der Art von Materialien nach Patentanspruch 6 läßt sich eine Porosität in einfacher Weise erzeugen. Das poröse Mate­ rial kann aus locker geschichteten Körnern bestehen, es kann aber auch zu einer zusammenhängenden porösen Masse verfestigt sein. Schüttgut hat vor allem den Vorteil, daß es leicht in das Gehäuse einfüllbar ist und fertigungstechnisch sehr ein­ fach gehandhabt werden kann. Es ist aber auch bei der Bren­ nerwartung, beispielsweise für eine Reinigung, einfach mög­ lich, Schüttgut wieder aus dem Gehäuse zu entfernen.

Das Schüttgut gemäß Patentanspruch 7 entspricht in jeder Hin­ sicht den technischen Anforderungen für einen erfindungsgemä­ ßen Brenner. Es ist leicht erhältlich und liegt auch preis­ lich in einem vertretbaren Bereich, so daß ein kostengünsti­ ger und fertigungstechnisch einfacher Aufbau des Brenners er­ möglicht wird.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung nach Pa­ tentanspruch 8 besteht das Schüttgut in der Nähe des Einlas­ ses aus Körnern kugelähnlicher Form mit mittleren Durchmes­ sern von 5 mm und im nachfolgenden Bereich mit mittleren Durchmessern < 11 mm, wenn der Durchmesser zur Erreichung der kritischen Péclet-Zahl zwischen 5 und 11 mm liegt und insbe­ sondere 9 mm beträgt.

Wenn die Körner des Schüttgutes kugelförmig sind, läßt sich bei der Fertigung die Gleichmäßigkeit des Schüttgutes leicht kontrollieren. Insbesondere gilt das auch für die erreichbare Porosität, die dann nur durch den Durchmesser der kugelförmi­ gen Körner und deren Anordnung in der Schüttung bestimmt ist. Es hat sich bei Stahl, Steatit oder Al₂O₃ und bei Verwendung von Gas/Luft-Gemischen gezeigt, daß die Péclet-Zahl von 65 bei Kugeln mit einem Durchmesser von 9 mm und Péclet-Zahlen von 40 bzw. 90 bei Durchmessern von ungefähr 11 bzw. 5 mm er­ reicht werden. Bei dieser Weiterbildung wird also die erfor­ derliche Porosität mit einfachen Mitteln erzielt, vor allem da Schüttgut der genannten Art und der entsprechenden Größe leicht verfügbar ist.

Durch Einsatz von Katalysatormaterial läßt sich gemäß Patent­ anspruch 9 vor allem die NO_x- und CO-Emission verringern.

Da aufgrund der Porosität eine große Oberfläche zur Wechsel­ wirkung mit dem Gas vorhanden ist, ist zu erwarten, daß ein Katalysator effektiv wirkt. Außerdem läßt sich der erfin­ dungsgemäße Brenner mit Katalysatormaterial einfach ausstat­ ten, wodurch sehr schnell ein fertigungsreifer, serienmäßig verfügbarer Katalysatorbrenner möglich gemacht wird.

Im Prinzip könnte man die Wärme, die in das Gehäuse abfließt, auch mit Isoliermaterial gegenüber der Außenwelt abschirmen, jedoch hat eine Kühlung gemäß Patentanspruch 10 bis 12 den Vorteil, daß die Wärme von dem Kühlmittel aufgenommen und dann weiterverwendet werden kann. Aufgrund dessen kann die Effizienz eines erfindungsgemäßen Brenners weiter erhöht wer­ den. Dabei kann eine Überwachungseinrichtung vorgesehen sein, die bei Ausfall des Kühlmittels die Zufuhr von Brennstoff in den Brennraum blockiert. Bei Kühlmittelströmen kann nämlich nicht ausgeschlossen werden, daß der Strom des Kühlmittels durch Leitungsbruch oder Verstopfung der Kühlschlange unter­ brochen wird, wodurch sich die Außenwand des Brenners aufhei­ zen könnte, was zu Brand oder Verbrennungn führen kann. Auf­ grund dieser Maßnahmen läßt sich also eine hohe Effizienz des Brenners bei gleichzeitiger Kühlung der Außenwand erzeugen, wobei eine große Sicherheit gewährleistet ist.

Mit Hilfe der inneren Kühlvorrichtung nach Patentanspruch 13, die als Kühlschlange ausgebildet sein kann, wird die Wärme im Brenner z. B. als Heißwasser oder Dampf abgeführt und kann in weiteren Prozessesn zur Heizung oder zum Betrieb von Turbinen weiterverwendet werden. Die Wärmeübertragung erfolgt hier nicht durch direkte Wechselwirkung des heißen Gases mit der Kühlvorrichtung, sondern zum größten Teil über das poröse Ma­ terial, wodurch eine gute Wärmeübertragung gewährleistet ist. Auch dies dient zur Erhöhung der Effizienz.

Aufgrund der Maßnahme gemäß Patentanspruch 14 wird die Ener­ gie, die durch die Kühlung des Gehäuses im Kühlmittel aufge­ nommen wird, in denselben Kreis geführt, in dem die Wärme in dem Kühlmittel zum Wärmetauschen verwendet wird. Vorzugsweise wird das Kühlmittel dabei erst zur Kühlung des Gehäuses ver­ wendet und anschließend in den Innenraum des Brenners gelei­ tet, wo es mit dem porösen Material hoher Temperatur wechsel­ wirkt. So wird die gesamte vom Brenner erzeugte Wärme im Kühlmittel aufgenommen, wodurch die Effizienz weiter erhöht wird.

Je effektiver der Übergang der im Brenner erzeugten Wärme auf die Kühlvorrichtung innerhalb des Brenners ist, desto wir­ kungsvoller erfolgt die Wärmeübertragung. Außerdem bildet die Kühlvorrichtung im Brenner einen weiteren Strömungswider­ stand, der bei der Auslegung des porösen Materials im Bereich der Kühlvorrichtung berücksichtigt werden kann. Die Kühlvor­ richtung wirkt dann also ähnlich wie das poröse Material. Die Menge porösen Materials kann dann verringert werden, wobei auch eine wirkungsvollere Wärmeübertragung erreicht wird, wenn die Kühlvorrichtung gemäß der Weiterbildung nach Patent­ anspruch 15 ausgebildet ist.

Bei der Optimierung des Brenners sollte auch der Abstand der Kühlvorrichtung von der Flamme möglichst günstig gewählt wer­ den. Die höchste Temperatur erreicht man zwar in der Nähe der Flamme, es können jedoch auch für geringere Temperaturen ge­ eignete Materialien zur Ausbildung der Kühlvorrichtung ausge­ wählt werden, wenn diese sich außerhalb des Flammbereichs be­ findet. Außerdem wird die Flamme durch die Kühlvorrichtung nicht zusätzlich gekühlt, wenn diese außerhalb des Flammbe­ reichs liegt, was die Stabilität der Flamme zusätzlich er­ höht. Dies berücksichtigt die vorzugsweise Weiterbildung ge­ mäß Patentanspruch 16. Auf die Wärmeübertragung von Flamme zur Kühlvorrichtung hat das aufgrund der guten Wärmeleitung im porösen Material nur wenig Einfluß.

Bei der vorzugsweisen Weiterbildung nach Patentanspruch 17 wird die Flamme durch die Kühlung des äußeren Gehäuses nicht beeinflußt, und die CO-Emission, die durch unvollständige oder instabile Verbrennungen entsteht, weiter gedrückt.

In gleicher Weise wirkt sich bei der vorteilhaften Weiterbil­ dung gemäß Patentanspruch 18 der Spalt aus, der größer als 1 mm sein sollte. Versuche an Ausführungsbeispielen haben ge­ zeigt, daß die höchste Effektivität dann erreicht wird, wenn die Porosität mit Schüttgut erzeugt wird und die Kühlvorrich­ tung in einem Abstand von 2 bis 4 Korngrößen der Schüttung von dem Grenzbereich mit der kritischen Péclet-Zahl 65 ange­ ordnet ist.

Im Prinzip könnte das Gas/Luft-Gemisch an allen Stellen des Brenners entzündet werden, an denen ein brennfähiges Gas/Luft-Gemisch vorhanden ist, beispielsweise vom Auslaß her. Gemäß der Weiterbildung nach Patentanspruch 19 erfolgt die Zündung aber in einem Bereich, in dem die Porosität die kritische Péclet-Zahl aufweist. Dadurch wird die Flamme genau in dem Bereich gezündet, in dem sie auch im stabilen Zustand brennt. Aufgrund dessen wird eine hohe Stabilität schon im Zeitpunkt der Entflammung bewirkt, da an anderen Stellen erst ein Rückschlagen der Flamme erfolgen müßte, dies jedoch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten des Brennstoffes gar nicht möglich ist. In diesem Fall könnte eine Zündung nur bei zwi­ schenzeitlicher Reduzierung des Brennstofflusses erfolgen. Dadurch ist der apparative Aufwand in hohem Maße reduziert, da eine Regelung des Zündvorganges unterbleiben kann.

Aufgrund des porösen Materials ist zwar kein Rückschlagen der Flamme zu erwarten, da die Péclet-Zahl im Einlaßbereich keine Ausbildung einer Flamme erlaubt. Dennoch ist gemäß Patentan­ spruch 20 vor allem aus Sicherheitsgründen eine Flammenfalle vorgesehen, die beispielsweise dann wichtig sein kann, wenn nach Reinigungsarbeiten das die hohe Porosität aufweisende Schüttgut versehentlich in den Einlaßbereich eingefüllt wor­ den ist. Vorzugsweise ist die Flammenfalle eine Platte, die eine Vielzahl von Löchern mit einem Durchmesser kleiner als der für die jeweiligen Brennstoffe kritische Lösch- Durchmesser aufweist. Es hat sich gezeigt, daß diese Flammen­ falle bei Erdgas/Luft-Gemischen wirksam ist. Ihr großer Vor­ teil liegt vor allem in der Einfachheit der Herstellung und in der sehr kostengünstigen Ausführung. Der Aufwand für die Flammenfalle wird daher gering gehalten und bleibt vertret­ bar, so daß eine zusätzliche Flammenfalle wirtschaftlich ver­ tretbar eingesetzt werden kann, obwohl sie im Normalfall für den erfindungsgemäßen Brenner nicht notwendig ist.

Aufgrund der hohen Leistungsdichte und der großen Menge Mate­ rials zur Aufnahme von Wärme ist es auch einfach, den erfin­ dungsgemäßen Brenner nach Art eines Brennwertkessels zu be­ treiben, da die Abgastemperatur bei diesen stark reduziert ist. Das dabei jedoch entstehende Kondensat muß abgeführt werden. Dies ist bei dem erfindungsgemäßen Brenner einfach zu bewerkstelligen, denn es wurde bei Versuchsmodellen festge­ stellt, daß diese in jeder Lage, sogar mit Flammentwicklung entgegen der Schwerkraft betrieben werden können. Bei dem mit dem Auslaß nach unten angeordneten Brenner nach Patentan­ spruch 21 kann das Kondensat in einfacher Weise durch diesen abfließen, so daß keine zusätzlichen Maßnahmen getroffen wer­ den müssen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Brenners mit drei Zonen;

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform des Brenners mit zwei Zonen;

Fig. 3 ein Diagramm für Péclet-Zahlen in Abhängigkeit des Kugeldurchmessers bei einer Kugelschüttung;

Fig. 4 ein Diagramm für den Temperaturverlauf innerhalb des porösen Materials des Brenners gemäß Fig. 2;

Fig. 5 einen Schnitt durch einen als Wassererhitzer oder Dampferzeuger ausgelegten Brenner entsprechend der in Fig. 2 gezeigten, jedoch mit dem Auslaß nach un­ ten angeordneten Ausführungsform und

Fig. 6 einen Schnitt durch einen mit einem Einsatz versehe­ nen Brenner.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Brenner mit einem Gehäuse 1, welches einen Einlaß 2 für ein Gas/Luft- Gemisch und einen Auslaß 3 für die Abgase aufweist. In einem Abstand vom Einlaß 2 ist eine Flammenfalle 4 vorgesehen, wel­ che den Innenraum des Gehäuses 1 unterteilt. Der zwischen dieser Flammenfalle 4 und dem Auslaß 3 gelegene Teil des In­ nenraumes des Gehäuses 1 ist mit einem porösen Material 5 ausgefüllt. Weiter ist eine Zündvorrichtung 6 zur Zündung des Gemisches vorgesehen.

Das poröse Material 5 weist örtlich unterschiedliche Porosi­ täten auf, und zwar entsprechend den unterschiedlich schraf­ fierten Zonen A, B und C. In Zone A sind die Poren so klein, daß die sich daraus ergebende Péclet-Zahl kleiner als die kritische Péclet-Zahl (65 für Erdgas/Luft-Gemische) ist. Die kritische Péclet-Zahl ist der Grenzwert, oberhalt dem eine Flamme entstehen kann bzw. unterhalb dem eine Flamme unter­ drückt wird. In Zone C ist die Péclet-Zahl wesentlich größer als die kritische Péclet-Zahl, so daß sich dort eine Flamme entwickeln kann. Zone B stellt einen Übergangsbereich dar, innerhalb dem die Porosität die kritische Péclet-Zahl er­ reicht.

Aufgrund der oben dargestellten physikalischen Gesetzmäßig­ keiten für die Flammentwicklung im porösen Material kann die Flamme nur in Zone B entstehen, und zwar nur an den Stellen, an denen die Porosität die kritische Péclet-Zahl erreicht. Das poröse Material kühlt dabei die Flamme, so daß nur wenig NO_x erzeugt wird. Die Innenflächen der Hohlräume des porösen Materials, insbesondere des der Zone B, können auch mit einem Katalysator beschichtet werden, wodurch eine weitere Verrin­ gerung des NO_x- und CO-Anteils im Abgas erreicht wird.

Bei starken Änderungen der physikalischen Parameter innerhalb der Zone B können sich die Flammenansätze verschieben, so daß eine örtliche Flammenstabilität prinzipiell nicht gegeben ist. Andererseits hat die durch die Zone B gegebene Über­ gangsschicht den Vorteil, daß sich die Flammenfront bei den kleinstmöglichen Hohlräumen stabilisiert, wodurch der best­ mögliche Wärmeübergang von der Flamme zum porösen Material gewährleistet ist.

Wird jedoch auf eine örtliche stabile Flamme Wert gelegt, kann ein Brenner nach dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbei­ spiel verwendet werden. Bei diesem ist gegenüber dem in Fig. 1 beschriebenen die Zone B weggelassen worden, so daß nur die zwei Zonen A und C vorhanden sind. Hier stabilisiert sich die Flamme aufgrund der oben dargestellten Gesetzmäßigkeiten an der Grenzschicht zwischen Zone A und Zone C. Die Flamme ist also durch die Grenzfläche festgelegt un daher ortsstabil. Aufgrund der Varianz von ±25 der angegebenen Péclet-Zahl von 65 ist in Zone A eine Porosität vorzusehen, deren Péclet-Zahl kleiner als 40 ist, und in der Zone C eine Porosität, die ei­ ner Péclet-Zahl von größer als 90 entspricht. Dann bestimmt die Grenzschicht für einen großen Bereich von Gas/Luft- Gemischen den Ort der Flammentwicklung, wodurch die Stabili­ tät für einen großen Bereich von Gasparametern gewährleistet wird.

Für das poröse Material können unterschiedliche Materialien, z. B. Keramikwerkstoffe, verwendet werden. Es sind aber auch hitzebeständige Schaumkunststoffe möglich. Bei den folgenden Betrachtungen wird als poröses Material Schüttgut verwendet. Bei Schüttgut mit runden Körnern läßt sich der in die Glei­ chung für die Péclet-Zahl eingehende Parameter d_m für die Porosität aufgrund von geometrischen Überlegungen berechnen als d_m = δ/2,77, wobei δ der Durchmesser der kugelförmigen Körner des Schüttguts ist.

Entsprechend der oben angegebenen Gleichung wurden für Erd­ gas/Luft-Gemische Péclet-Zahlen in Abhängigkeit vom Durchmes­ ser δ berechnet, die in Fig. 3 dargestellt sind. Für die Be­ rechnung wurde eine stöchiometrische laminare Flammenge­ schwindigkeit S_L von 0,4 mm/s angenommen. Die Péclet-Zahl von 65 wird bei einem Kugelradius von 9 mm erreicht, während die genannten Péclet-Zahlen von 4 bzw. 90 bei 6 mm bzw. bei 12,5 mm gegeben sind.

In einem Versuchsaufbau gemäß Fig. 2 wurden Körner mit Durch­ messern von 5 mm in Zone A und 11 mm in Zone C verwendet. Da­ bei wurden unterschiedlichste Testmaterialien verwendet, z. B. Kugeln aus poliertem Stahl sowie Keramikkörner unterschied­ lichster Zusammensetzungen und Größen, wie Steatit oder Al₂O₃. Es zeigte sich, daß alle diese Materialien geeignet sind.

Der Temperaturverlauf in Flußrichtung des Gas/Luft-Gemisches über der Höhe Z des Gehäuses 1 in einem derartigen Versuchs­ brenner ist in Fig. 4 für verschiedene Leistungen P darge­ stellt, wobei der Mantel von außen gekühlt wurde. Es zeigte sich, daß selbst bei hohen Leistungen von 9 kW die höchste Temperatur unter 1500°C lag. Deshalb können alle Materialien verwendet werden, die bis 1500°C temperaturstabil sind.

In Fig. 4 ist eine erste senkrechte Linie eingezeichnet, die die Grenzfläche zwischen der Zone A und der Zone C darstellt. Es ist deutlich erkennbar, daß die höchste Temperatur an der Grenzfläche bzw. kurz hinter der Grenzfläche in der Zone C entsteht.

Weiter ist aus Fig. 4 erkennbar, daß die Temperaturen zum Auslaß 3 (zweite senkrechte Linie) hin stark abfallen. Es kann also eine Abgastemperatur unterhalb des Taupunkts er­ reicht werden, wodurch sich eine Eignung dieses Brenners für einen Brennwertkessel ergibt. Allerdings muß aber das dabei entstehende Kondensat abgeführt werden. Es hat sich gezeigt, daß der Brenner unabhängig von seiner Lage zum Schwerefeld der Erde stabil arbeitet, so daß er auch waagerecht oder mit dem Auslaß 3 nach unten betrieben werden kann. Bei dieser letzten Anordnung kann das Kondensat aus dem Brenner heraus­ fließen.

Die niedrige Abgastemperatur am Auslaß zeigt auch, daß die Wärme des verbrannten Gas/Luft-Gemisches fast vollständig von dem porösen Material aufgenommen wird, wodurch der Bau eines Wärmetauschers mit großer Effizienz ermöglicht wird. Mit ei­ nem Brenner nach dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ist es möglich, einen Wassererhitzer mit einer Leistung von 5 kW, einer Abgastemperatur von 60°C und einem Wirkungsgrad von 95% zu bauen. Die baulichen Abmessungen des Brenners können dabei sehr klein gehalten werden, so beträgt die Länge des Brenners nur 15 cm und der Durchmesser 8 cm. Die geringen Abmessungen sind vor allem auf die hohe Leistungsdichte zurückzuführen, die mit Hilfe von porösem Material erreicht werden kann.

Fig. 4 zeigt auch, daß die höchsten Temperaturen kurz hinter der Grenzfläche zwischen Zone A und Zone C entstehen. Hieraus folgt, daß für die Erzeugung heißen Dampfes die Wärmeübertra­ gung von der Flamme auf das zu erhitzende Wasser in der Nähe dieser Grenzfläche stattfinden sollte. Eine das zur Dampfer­ zeugung vorgesehene Wasser führende Kühlvorrichtung sollte daher in dem Bereich des porösen Materials verlaufen, der un­ gefähr 3 cm von der Grenzfläche entfernt ist. Da die Flamme zur Erhaltung ihrer Stabilität nicht selbst abgekühlt werden soll, ist die Kühlvorrichtung in die Nähe der Grenzschicht zu verlegen, aber nicht in den Flammbereich. Sollten Material­ probleme aufgrund der hohen Temperaturen bei der Ausführung der Kühlvorrichtung entstehen, sind größere Abstände vorzu­ ziehen.

Fig. 5 zeigt den schematischen Aufbau eines zum Erhitzen von Wasser bzw. zum Erzeugen von Dampf geeigneten Brenners. Die­ ser umfaßt im wesentlichen wieder das Gehäuse 1, den Einlaß 2, den Auslaß 3, die Flammenfalle 4, die Zündvorrichtung 6 und das poröse Material 5. Der Brenner ist mit seinem Auslaß 3 nach unten angeordnet, so daß Kondensat leicht abfließen kann. Das poröse Material 5 ist nur schematisch durch gleich große Kugeln angedeutet. Dies entspricht nicht den realen Ge­ gebenheiten, denn die Porosität des porösen Materials ändert sich ja entlang der Flußrichtung des Gas/Luft-Gemisches, wo­ bei die Kugeln im Einlaßbereich einen geringeren Durchmesser als im Auslaßbereich aufweisen.

Die Grenzfläche 7 zwischen den Zonen A und C ist durch eine unterbrochene Linie angedeutet. Wie vorstehend schon erläu­ tert, entsteht die Flamme an dieser Grenzfläche 7 und über­ trägt ihre Wärme im wesentlichen in einem Bereich von wenigen cm in der Zone C auf das poröse Material 5.

Zusätzlich ist eine das Gehäuse 1 umgehende bzw. dieses sogar bildende äußere Kühlvorrichtung 8 vorgesehen, die als um das Gehäuse 1 angeordnete Kühlschlange ausgebildet ist und die Wärmeabfuhr nach außen verhindert. Die Kühlschlange wird von Wasser durchflossen und ist mit einem Wasserwächter versehen, der bei Ausfall von Kühlmittel den Zustrom des Gas/Luft- Gemisches in den Einlaß 2 unterbricht, so daß das Gehäuse 1 stets gekühlt wird, wenn der Brenner in Betrieb ist. So wird sichergestellt, daß sich die Außenwand nicht zu stark erwär­ men kann, wodurch wiederum verhindert wird, daß man sich am Gehäuse 1 verbrennen kann oder von diesem ein Brand ausgelöst wird. Die von der Gehäusewand durch die Kühlschlange abge­ führte Wärme kann weiterverwendet werden, dadurch erhöht sich die Effizienz bei der Heißwasser- oder Dampferzeugung.

Weiter zeigt Fig. 5 die Anordnung einer inneren Kühlvorrich­ tung 9, die sich vom Auslaß 3 her bis kurz vor die Grenzflä­ che 7 in das poröse Material 5 der Zone C erstreckt.

Die innere Kühlvorrichtung 9 ist nur schematisch angedeutet, in der Praxis kann sie z. B. die Form einer Spirale aufweisen, damit ein möglichst guter Wärmeübergang vom porösen Material 5 gewährleistet ist. Es sind aber auch kompliziertere ausfüh­ rungsformen für die Kühlvorrichtung 9 denkbar. So kann diese beispielsweise selbst das poröse Material bilden bzw. zur Porosität beitragen, wodurch ein noch besserer Wärmeübergang möglich wird.

Die äußere Kühlvorrichtung 8 ist mit der inneren Kühlvorrich­ tung 9 in Reihe verbunden, wodurch das schon durch das Gehäu­ se 1 vorgewärmte Wasser in die innere Kühlvorrichtung 9 ge­ führt wird und zur Erhitzung des Wassers bzw. für die Erzeu­ gung von Dampf mitverwendet wird.

Um zu vermeiden, daß die Flamme im Brennraum nicht durch zu starke Abkühlung durch die äußere Kühlvorrichtung 8 beein­ flußt wird, ist, wie aus Fig. 6 ersichtlich, im Flammbereich des Brennraumes ein Einsatz 10 vorgesehen, der das poröse Ma­ terial 5 aufnimmt und die Innenwand des Gehäuses 1 gegen di­ rekte Wärmebestrahlung abschirmt. Der Einsatz 10 kann auch so ausgebildet sein, daß er in einem Abstand von der Innenwand des Gehäuses 1 angeordnet ist, so daß sich zwischen der In­ nenwand und dem Einsatz 10 ein Spalt 11 bildet, der frei von dem brennbaren Gas/Luft-Gemisch ist.

Durch diese Ausbildung des Brennraumes im Flammbereich werden die CO-Emissionen, die durch unvollständige oder instabile Verbrennung entstehen, weiter unterdrückt.

Da die Flamme wegen der geringen Péclet-Zahl in der Zone A nicht zum Einlaß 2 durchschlagen kann, ist die Flammenfalle lediglich zur Erhöhung der Sicherheit vorgesehen. Die Flam­ menfalle 4 besteht im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 aus einem 4 mm dicken Stahlblech, in das eine Vielzahl von Lö­ chern mit einem Durchmesser von 1 mm gebohrt wurde, wobei die Dichte der Löcher kleiner als 20/cm² ist.

Die Zündvorrichtung 6 befindet sich in der Nähe der Grenzflä­ che 7, um eine besonders wirkungsvolle Zündung zu ermögli­ chen. Im Ausführungsbeispiel brennt die Flamme selbststabili­ sierend an der Grenzfläche 7.

Die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen den einfa­ chen Aufbau des Brenners bei geringer Temperatur, guter Wär­ meübertragung sowie einer stabilen Flamme. Bei unvollständi­ ger Verbrennung ist es auch möglich, den Brenner überstöchio­ metrisch zu betreiben oder durch das Vorsehen von Katalysa­ tormaterial in dem porösen Material eine bessere Verbrennung durchzuführen, wobei der Schadstoffanteil im Abgas noch wei­ ter reduziert wird.

Claims (21)

1. Brenner für ein Gas/Luft-Gemisch mit einem Gehäuse (1), das einen Brennraum mit einem Einlaß (2) für das Gemisch, einen Bereich der Flamm­ entwicklung und einen Auslaß (3) für das Abgas aufweist und dessen Brenn­ raum ein poröses Material (5) mit zusammenhängenden Hohlräumen enthält, deren Porengröße sich in Flußrichtung des Gemisches ändert, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der gesamte den Brennraum bildende Bereich des Gehäuses (1) mit dem porösen Material (5) ausgefüllt ist und daß die Porengröße des Materials (5) längs des Brennraumes vom Einlaß (2) zum Auslaß (3) zunimmt, wobei sich in einer Zone (B) oder an einer Grenzfläche (7) in­ nerhalb des Materials (5) für die Porengröße eine kritische Péclet-Zahl ergibt, oberhalb der die Flammentwicklung erfolgt und unterhalb der sie unterdrückt ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kritische Péclet-Zahl 65 ± 25, insbesondere 65 für Erdgas/Luft-Gemische, beträgt.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei in Flußrichtung des Gemisches hintereinander liegenden Zonen (A, C) unterschiedlicher Porengröße die dem Einlaß (2) nachgeordnete erste Zone (A) eine Porengröße aufweist, die eine Péclet-Zahl ≦ 40 ergibt, und die zweite Zone (C) eine Porengröße aufweist, die eine Péclet-Zahl ≦ 40 er­ gibt.

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material (5) hitzebeständiger Schaumkunststoff, Keramik oder Metall ist.

5. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material (5) bis zu einer Temperatur von 1500°C hitzebeständig ist.

6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material (5) Füllkörper sind, z. B. in Form von Schüttgut, welches durch Sinterung verfestigt ist.

7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schüttgut Metall oder Keramik, insbesondere Steatit oder Al₂O₃ enthält.

8. Brenner nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schüttgut in der Nähe des Einlasses (2) aus Körnern kugelähnlicher Form mit mittleren Durchmessern von 5 mm und im nachfolgenden Bereich mit mittleren Durchmessern ≧ 11 mm besteht, wenn bei atmosphärischem Druck der Durchmesser zur Erreichung der kritischen Péclet-Zahl zwischen 5 und 11 mm liegt, insbesondere 9 mm beträgt.

9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen der Hohlräume des porösen Materials (5) bzw. die Oberflächen der Körner des Schüttguts mit einem Katalysatormaterial be­ schichtet sind.

10. Brenner nach einem der Ansprüch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) zumindest teilweise eine Kühlvorrichtung (8) auf­ weist.

11. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvor­ richtung (8) als eine das Gehäuse (1) umgebende oder dieses bildende Kühlschlange ausgebildet ist, durch welche ein Kühlmittel, insbesondere Wasser fließt.

12. Brenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überwa­ chungseinrichtung vorgesehen ist, die bei Ausfall des Kühlmittels die Zufuhr von Brennstoff in den Brennraum blockiert.

13. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Bereich größerer Poren des Materials (5) eine innere Kühl­ vorrichtung (9) angeordnet ist.

14. Brenner nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvor­ richtung (8) des Gehäuses (1) mit der inneren Kühlvorrichtung (9) in Rei­ he geschaltet ist.

15. Brenner nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Kühlvorrichtung (9) so ausgebildet ist, daß diese zumindest teil­ weise als poröses Material wirkt und/oder poröses Material ersetzt.

16. Brenner nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der inneren Kühlvorrichtung (9) von der Zone (B) oder der Grenzfläche (7) mit der kritischen Péclet-Zahl mindestens so groß ist, daß die Kühlvorrichtung (9) mit der Flamme nicht in Berührung kommt.

17. Brenner nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Gehäuses (1) mindestens im Flammbereich durch eine Vorrichtung, beispielsweise als Einsatz (10), gegen direkte Wärmebestrah­ lung abgeschirmt ist.

18. Brenner nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrich­ tung in einem einen Spalt (11) freilassenden Abstand von der Innenwand des Gehäuses (1) angeordnet ist, der frei von dem Gas/Luft-Gemisch ist.

19. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zündvorrichtung (6) so angeordnet ist, daß die Entflammung des Gas/Luft-Gemisches in einem Bereich mit einer Porosität erfolgt, die die kritische Péclet-Zahl aufweist.

20. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Einlaß (2) und porösem Material (5) eine Flammenfalle (4) angeordnet ist, insbesondere eine Platte mit einer Vielzahl von Löchern.

21. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß Einlaß (2), Auslaß (3) und poröses Material (5) so angeordnet sind, daß Kondensat durch den Auslaß (3) abfließen kann.