DE69313792T2

DE69313792T2 - Verbrennungsvorrichtung mit Wärmerückführung

Info

Publication number: DE69313792T2
Application number: DE69313792T
Authority: DE
Inventors: Tsuneo Matsudaira; Sunao Nakamura; Felix J Weinberg
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1992-12-09
Filing date: 1993-05-21
Publication date: 1998-02-12
Anticipated expiration: 2013-05-22
Also published as: EP0601269B1; EP0601269A1; JP2682362B2; JPH06180110A; US5375996A; DE69313792D1

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung betrifft eine Verbrennungsvorrichtung mit einer Wärmerückführungsfunktion, die ein Kraftstoff-Luft- Gemisch unter Benutzung der Wärmerückführung von einem Hochtemperatur-Produktgas vorerhitzt und ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.

Beschreibung des Standes der Technik

Es sind viele Arten von ebenen, exothermen Oberflächenverbrennungs-Brennern als Wärmequelle für sowohl industrielle Nutzung als auch Haushaltnutzung entwickelt und kommerzialisiert worden, weil sie unter geringem Schadstoffausstoß leicht Strahlungshitze erzeugen, indem eine poröse Brennerkomponente in Form einer flachen Platte, gekrümmten Platte oder einem Block verwendet wird, die mit vielen Gasdurchlaßporen versehen ist und in der das durch die poröse Brennerkomponente gedrungene Kraftstoff-Luft-Gemisch an der stromabwärtigen Oberfläche der Komponente verbrannt wird, um einen gleichmäßigen, rotglühenden Zustand zu bilden, der auf der Oberfläche stabil existiert.
Da die Verbrennungsvorrichtung, die einen Oberflächenverbrennungs-Brenner verwendet, eine Verbrennungszone in der porösen Brennerkomponente in der Nähe ihrer Oberfläche bilden muß, um die ebene, rotglühende Verbrennungszone in einen hochstrahlenden Zustand zu versetzen, weist die Verbrennungsvorrichtung mit einem Oberflächenverbrennungs-Brenner die Begrenzung auf, daß das Kraftstoff-Luft-Gemisch aus der porösen Brennerkomponente nicht unter einer höheren Geschwindigkeit als die Verbrennungsgeschwindigkeit ihres Gemisches ausgestoßen werden kann.
Das Äquivalenzverhältnis eines entflammbaren Kraftstoff-Luft- Gemisches (der Wert des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses dividiert durch das theoretische Kraftstoff-Luft-Verhältnis) liegt in einem Bereich von 0,9-1,1, um höhere Strahlungsleistung zu erreichen. Die adiabate Flammentemperatur innerhalb dieses Bereiches übersteigt die dauerhafte Grenze von z.B. metallischen, gesinterten Fasermatten erheblich, die als die poröse Brennerkomponente benutzt werden. Infolgedessen muß das meiste der beaufschlagten Wärme als hochtemperiertes Gas ausgestoßen werden und der Strahlungswirkungsgrad ist lediglich höchstens 25% (bei einem Äquivalenzverhältnis von 1).
Konventionelle Verbrennungsvorrichtungen mit Wärmerückführung sind eingeführt worden, um die Wärmebeaufschlagung durch das Vorerhitzen des Kraftstoff-Luft-Gemisches mittels der rückgewonnenen Abwärme des verbrannten Produktgases zu verringern und um den Strahlungswirkungsgrad wesentlich zu verbessern. Diese konventionellen Verbrennungsvorrichtungen stellen entweder eine Wärmeübertragung über eine Trennwand bereit, die zwischen dem Kraftstoff-Luft-Gemisch- Versorgungsdurchlaß und dem Produktgas-Auslaßdurchlaß angeordnet ist oder sind mit einem besonders konstruierten Wärmetauscher oder Wärmesammler versehen. Bezüglich der erstgenannten Art, bei der Wärmeübertragung über eine Trennwand vorgesehen ist, die zwischen dem Kraftstoff-Luft- Gemisch-Versorgungsdurchlaß und dem Produktgas-Auslaßdurchlaß angeordnet ist, resultiert die unzureichende Wärmeübertragungsfläche der Trennwand in einer ungenügenden Wirkung, so daß die Vorrichtung vergrößert werden muß. Bezüglich der letztgenannten Art, die mit einem besonders konstruierten Wärmetauscher oder Wärmesammler versehen ist, kompliziert die hinzugefügte Ausrüstung der Struktur der Vorrichtung und erhöht die Vorrichtungsgröße und darüber hinaus muß der Wirkungsgrad der Wärmetauschers und Wärmesammlers verbessert werden.
Da konventionelle Verbrennungsvorrichtungen das Verbrennungsverfahren benutzen, um eine ebene, rotglühende Verbrennungszone in der porösen Brennerkomponente nahe der Oberfläche ihrer Ausstoßseite für das Kraftstoff-Luft- Gemisches zu bilden, muß das Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einem Durchsatz unterhalb seiner Verbrennungsgeschwindigkeit beaufschlagt werden. Entsprechend weisen die konventionellen Verbrennungsvorrichtungen mit Wärmerückführung den Nachteil einer begrenzten Verbrennungslast auf.
Stand der Technik, der von Interesse ist, ist die US-A- 3,299,938. Sie offenbart einen gasgefeuerten Strahlungsbrenner, der eine Brennkammer aufweist, in der eine poröse Brennerplatte aufgenommen ist. Die poröse Brennerplatte umfaßt eine keramische Wabenstruktur, die eine Vielzahl von sich durch sie erstreckenden Passagen für die Strömung eines Gas-Luft-Gemisches in die Brennkammer und für das Austreten von verbrannten Gasen aus dieser Kammer vorsieht. Die poröse Brennerplatte weist einen ersten Bereich auf, der mittig ist; und einen zweiten Bereich, der dem äußeren Umfang des ersten Zentralbereiches benachbart ist und sich um ihn erstreckt. Im Vergleich zu dem des Mittelbereiches weist der zweite Bereich eine sehr große Oberfläche auf. Die Vorrichtung umfaßt zwei Strömungsrohre; ein erstes, das mit der Gesamtheit der Unterfläche des Zentralbereiches verbunden ist; und ein zweites, das das erste umgibt und mit der Gesamtheit der Unterfläche des zweiten Bereiches verbunden ist.
Das Gas-Luft-Gemisch strömt nach oben auf die Unterfläche des zweiten Bereiches durch den Raum zwischen erstem und zweitem Rohr zu; in der Brennkammer treten verbrannte Gase über den Mittelbereich der porösen Brennerplatte aus. Zusätzliche Strömungspfade sind derart angeordnet, daß eine gute Wärmeübertragung von den heißen austretenden Gasen auf das hereinkommende Gas-Luft-Gemisch existiert. Da die Oberfläche des Mittelbereiches der Brennerplatte im Vergleich zur Oberfläche des zweiten Bereiches, der den Mittelbereich umgibt, sehr klein ist, ist es ein Nachteil dieses Standes der Technik, daß es schwierig ist, die Geschwindigkeit des Gas-Luft-Gemisches zu steuern, das durch die Brennerplatte strömt. Es ist die Lehre dieses Standes der Technik, daß die Strömung des Gas-Luft-Gemisches durch den zweiten Bereich in die Verbrennungskammer derart gestaltet sein soll, daß seine Verbrennung in der Nähe der Oberfläche der porösen Brennerplatte ermöglicht wird und daß dies dergestalt sein soll, daß die durch die Verbrennung des Gas-Luft-Gemisches erzeugte Hitze die Temperatur in der Brennerplatte auf eine solche erhöhen wird, daß sie ein Strahler wird, der Infrarot- Energie abstrahlt. Wie aus der vorgehenden Beschreibung klar werden wird, ist dies ein unterschiedliches Konzept zu dem der vorliegenden Erfindung.

Darstellung der Erfindung

Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, eine Verbrennungsvorrichtung mit Wärmerückführung bereitzustellen, wobei die Verbrennungsvorrichtung eine vollständige Verbrennung mit einem niedrigkalorischen, mageren Kraftstoff- Luft-Gemisch durchführt, eine gleichmäßig rotglühende Ebene ausbildet, einen hohen Strahlungswirkungsgrad erzielt, eine einfache Konfiguration aufweist und keinen zusätzlichen Wärmetauscher oder Wärmesammler erfordert. Die Erfindung umfaßt ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben dieser Verbrennungsvorrichtung.
Eine erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung mit Wärmerückführung umfaßt:
eine poröse Brennerkomponente aus einem permeablen Werkstoff mit einer Lage in einer rechtwinkligen Richtung zu einer Dicke dieser Lage, wobei die poröse Brennerkomponente zumindest einen ersten Bereich aufweist, durch den ein Kraftstoff-Luft-Gemisch strömt, um aus ihm in eine Brennkammer ausgestoßen zu werden;
zumindest einen zweiten Bereich, durch den eine Hochtemperatur-Produktgas strömt, das durch Verbrennung des Kraftstoff-Luft[gemisches] erzeugt ist, um eine Oberfläche des zweiten Bereiches der porösen Brennerkomponente auf Rotglut zu erhitzen, wobei durch den zweiten Bereich von dem Hochtemperatur-Produktgas zurückgewonnene Wärme durch den permeablen Werkstoff zu dem ersten Bereich geleitet wird;
wobei die Brennkammer derart angeordnet ist, daß sie sowohl den ersten Bereich als auch den zweiten Bereich bedeckt und diese Bereiche einfaßt; und
zumindest eine zylindrische Trennwand, die einen Versorgungsdurchlaß fur eine Reaktionsmischung von einem Auslaßdurchlaß für ein Produktgas trennt;
wobei der erste Bereich und der zweite Bereich der porösen Brennerkomponente durch eine im wesentlichen kontinuierliche, metallische Sinterlage ausgebildet sind;
wobei die Kraftstoff-Luft-Gemischversorgung an der Innenseite der zylindrischen Trennwand ist;
wobei das Kraftstoff-Luft-Gemisch über den ersten Bereich in die Brennkammer mit einer Geschwindigkeit strömt, die größer als eine Verbrennungsgeschwindigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches ist, um einen Flammenfuß auf dem Umfang einer Kraftstoff-Luft-Ausstoßfläche auszubilden; und
der zweite Bereich zu dem ersten Bereich benachbart und außerhalb von ihm angeordnet ist.
Das Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Verbrennungsvorrichtung umfaßt das Benutzen einer Kraftstoff- Luftgemisch-Versorgungseinrichtung, um den vorgennanten Reaktionsmischungs-Versorgungsdurchlaß unter einem derart gesteuerten Durchsatz mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch zu beaufschlagen, daß die Strömungsgeschwindigkeit des durch den vorgennanten ersten Bereich der porösen Brennerkomponente in die Brennkammer dringenden Gemisches höher als die Verbrennungsgeschwindigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches ist, wobei das Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird, wenn es in der Brennkammer ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine schematische Zeichnung des Kernteils der Verbrennungsvorrichtung einer Ausführungsform dieser Erfindung.
Fig. 2 (A) illustriert aufgetriebene Flammenformen, wo Flammen sich in die Nähe des umfänglichen, ringförmigen Teils ausbreiten.
Fig. 2 (B) ist die aufgetriebene Flammenform einer sich aufweitenden Flamme.
Fig. 2 (C) illustriert die stabile Flamme.
Fig. 3 zeigt Daten der mageren Verbrennungsgrenze eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, wobei die Daten aus einem Verbrennungsexperiment erhalten worden sind, das eine experimentelle Vorrichtung benutzt, die die Funktion dieser Erfindung aufweist.
Fig. 4 zeigt eine Korrelation von Gastemperatur T2 in der Brennkammer und Äquivalenzverhältnis φ, wobei der Parameter des Strömungsdurchsatzes Ur des Kraftstoff-Luft-Gemisches benutzt wird.
Fig. 5 zeigt eine Korrelation von Wärmerückführungsrate M und Strömungsdurchsatz Ur, wobei der Parameter der Mattenanzahl benutzt wird.
Fig. 6 zeigt eine Korrelation zwischen dem Wirkungsgrad von beaufschlagter Wärme fMQ zu Strahlungsleistung R, ausgestrahlt von der Brennerverbrennungszone; der Wirkungsgrad von zugeführter Wärme fMQ zu der Rate der Wärmeübertragung durch Konvektion Hb; das Verhältnis von Wärme Hf, mitgeführt mit dem Produktgas, zu zugeführter Wärme fMQ; und dem Strömungsdurchsatz Ur des Kraftstoff-Luft- Gemisches aus der Matte.
Fig. 7 zeigt eine schematische Zeichnung des Kernteils der Verbrennungsvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung.
Fig. 8 zeigt eine schematische Zeichnung des Kernteils der Verbrennungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung.

Ausführliche Beschreibung

Fig. 1 zeigt eine schematische Zeichnung des Kernteils der Verbrennungsvorrichtung, die eine Rückführfunktion aufweist, als eine Ausführungsform dieser Erfindung. In Fig. 1 ist die zylindrische Einfassung 1 aus Isolierwänden hergestellt und bildet das Gehäuse der Vorrichtung. Das obere Ende der zylindrische Einfassung 1 ist durch ein Ubertragungsfenster 2 gedichtet und das untere Ende der zylindrischen Einfassung 1 ist durch eine Unterplatte 3 gedichtet, so daß dazwischen ein geschlossener Raum gebildet ist. Eine poröse Brennerkomponente 4 ist unter dem Übertragungsfenster 2 angeordnet, um die seitliche Querschnittsfläche der zylindrische Einfassung 1 zu bedecken, wobei ein bestimmter Abstand von ihm eingehalten wird. Entsprechend bildet der eingefaßte Raum, umgeben durch das Übertragungsfenster 2 und durch die poröse Brennerkomponente 4, die Brennkammer 5. Ein zylindrisches Metallrohr 6 ist in der Mitte des eingeschlossenen Raumes und unter der unteren Oberfläche der porösen Brennerkomponente 4 angeordnet, so daß die Oberkante des zylindrischen Metallrohrs 6 mit der unteren Fläche der porösen Brennerkomponente 4 in Berührung gerät. Das untere Ende des zylindrischen Metallrohres 6 durchdringt die Unterplatte 3, um die Versorgungsöffnung 7 für das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu bilden. Eine Versorgungseinrichtung 8 für Kraftstoff-Luft-Gemisch ist mit der Versorgungsöffnung 7 verbunden.
Das Innere des zylindrischen Metallrohres 6 dient als Versorgungsdurchlaß 9 für das Kraftstoff-Luft-Gemisch und seine Außenseite dient als Auslaßdurchlaß 10 für das Produktgas. Der Auslaßdurchlaß 10 für das Produktgas ist mit der Auslaßöffnung 11 verbunden, die an der Unterplatte 3 vorgesehen ist.
Das Übertragungsfenster 2 ist aus einem Quarzglas hergestellt, das die hocheffiziente Durchdringung von Infrarotstrahlen und Hitzestrahlen ermöglicht, der von der porösen Brennerkomponente 4 emittiert werden oder es ist aus einem opaquen Keramikwerkstoff hergestellt, der Infrarotstrahlen einer bestimmten Wellenlänge emittiert, wenn er durch die von der porösen Brennerkomponente erzeugten Hitze erhitzt wird. Wenn ein Werkstoff oder Werkstück in einem im wesentlichen geschlossenen Raum, wie z.B. dem Innenraum eines Ofens, der mit einem geschlossenen Abgassystem versehen ist, erhitzt wird, ist ein solches Übertragungsfenster 2 für Hitzestrahlen nicht notwendigerweise installiert.
Die poröse Brennerkomponente 4 ist aus einem permeablen Metallwerkstoff hergestellt und übernimmt die Rolle eines Brenners wenn sie auf der Oberflächenschicht der Brennkammerseite befestigt ist. Die poröse Brennerkomponente 4 kann ein Infrarotbrenner sein, der aus Stahlblech mit vielen kleinen Öffnungen hergestellt ist; dieser Werkstoff kann Sintermetall, der durch das Sintern eines bearbeiteten Pulvers aus Metall mit hohem Schmelzpunkt in einer bestimmten Form hergestellt ist oder eine metallische, gesinterte Fasermatte sein, die durch das Ausbilden einer baumwollähnlichen Struktur von dreidimensional vernetzten Edelstahlfasern oder Metallfasern mit hohem Schmelzpunkt und das Verdichten der Faserstruktur zum Sintern in einer nicht oxidierenden Umgebung gebildet ist. Von diesen ist die metallische, gesinterte Fasermatte für die poröse Brennerkomponente besonders bevorzugt. Die metallische, gesinterte Fasermatte weist die Struktur von sehr langen Metallfasern auf, die verflochten sind, um sich miteinander durch sintern zu verbinden, deren Faserlänge sehr viel größer als die Abmessungen der einzelnen Brennräume ist. Folglich weist eine gesinterte, metallische Fasermatte, die eine Porösität in Höhe von 80 bis 95% aufweist, eine ausreichende Festigkeit für die Brennerkomponente auf und versagt schwer, sogar nach häufigen Wiederholungen von Hitze- und Kühlzyklen. Die Bezeichnung Porösität bedeutet das prozentuale Verhältnis von Brennerkompontenvolumen abzüglich des Metallfaservolumens zu Brennerkomponentenvolumen.
Die poröse Brennerkomponente (gesinterte, metallische Fasermatte) 4 ist durch die zylindrische Trennwand 6 in den ersten Bereich 4a, der im Zentral- oder Mittelbereich angeordnet und dem Versorgungsdurchlaß 9 zugewandt ist, und den zweiten Bereich 4b geteilt, der den ringförmigen Teil bildet, der dem ringformigen Auslaßdurchlaß 10 zugewandt ist. Die zylindrische Wand ist aus einem wärmeleitenden Werkstoff, wie Edelstahl, hergestellt.
Die gesinterte, metallische Fasermatte 4 weist eine besonders konstruierte Struktur auf, um die Gasströmung zwischen den Durchlässen 9 und 10 entlang der seitlichen Richtung innerhalb der Matte zu verhindern. Nichtsdestotrotz ist die gesinterte, metallische Fasermatte derart geformt, daß sie bezüglich der Wärmeleitung eine im wesentlichen kontinuierliche Struktur innerhalb der Ebene bereitstellt, in der der erste Bereich 4a und der zweite Bereich 4b die Dickenerstreckung der Matte rechtwinklig schneiden. Die gesinterte, metallische Fasermatte fungiert als Brennerplatte, die den Rotglutzustand des zweiten Bereiches 4b, in dem Oberflächenbereich, der Brennkammer zugewandt ist, erhält, wobei der zweite Bereich den ringförmigen Teil bildet. Der Durchlaßbereich in dem ersten Bereich 4a für die Durchdringungsströmung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ist derart ausgewählt, daß er eine kleinere Fläche aufweist, als der Durchlaßbereich für die Durchdringungsströmung des Hochtemperatur-Produktgases im zweiten Bereich.
Die Versorgungseinrichtung 8 für das Kraftstoff-Luft-Gemisch beaufschlagt den Versorgungsdurchlaß 9 mit Kraftstoff-Luft- Gemisch, nachdem der Durchsatz (oder die Strömungsgeschwindigkeit) eingestellt ist. Die Einrichtung 8 beaufschlagt den Versorgungsdurchlaß 9 mit Kraftstoff-Luft- Gemisch unter solch einem Durchsatz, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches, das durch die poröse Brennerkomponente in die Brennkammer 5 dringt, höher ist als die Verbrennungsgeschwindigkeit des Kraftstoff-Luft- Gemisches.
Die Brennkammer 5 ist von der äußeren Atmosphäre durch ein Dichtfenster 2 getrennt, das aus einem Werkstoff, der eine hohe Durchlässigkeit von Infrarot- und Hitzestrahlen aufweist, hergestellt ist, wie Quarz, wobei das Dichtfenster der gesinterten, metallischen Fasermatte 4 zugewandt ist, um die Brennkammer 5 abzudecken. Auf Grund dessen wird Kraftstoff-Luft-Gemisch von dem Mittelteil 4a der Matte ausgestoßen und sämtliches hochtemperiertes Produktgas, das durch die Verbrennungsreaktion in der Brennkammer 5 erzeugt wird, strömt durch den ringförmigen Teil 4b des Umfangs der Matte 4, um den ringförmigen Teil 4b rotglühend zu machen. Das durch den ringförmigen Teil 4b gedrungene Produktgas wird in den Auslaßdurchlaß 10 eingeführt. Ein (nicht gezeigter) Zünder ist in Oberflächennähe der gesinterten, metallischen Fasermatte 4 in der Brennkammer 5 befestigt.
In der erfindungsgemäßen Verbrennungsvorrichtung, die die oben beschriebene Konfiguration aufweist, tritt ein entflammbares Kraftstoff-Luft-Gemisch unter Umgebungstemperatur von der Versorgungsöffnung 7 in den Versorgungdurchlaß 9 ein, woraufhin das Gemisch durch den Mittelteil 4a der Matte 4 dringt, um die Brennkammer 5 zu erreichen. Während des Durchdringens des Mittelteils 4a der Matte 4 wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch die Hitze der Matte 4 vorerhitzt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches beim Austritt aus dem Mittelteil 4a der Matte 4 ist auf einen Durchsatz gesteuert, der größer als die Verbrennungsgeschwindigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches (größer als 30 cm/s) ist. In der Brennkammer 5 bildet das von dem Mattenmittelteil 4a ausgestoßene Kraftstoff-Luft-Gemisch die Flamme 12 innerhalb der Brennkammer 5. Der Flammenfuß 13 ist am Umfang des Mittelteils 4a angeordnet und die Flamme wird durch das erhöhen der Temperatur des Teils 4a stabil gehalten. Während des Schrittes wird die Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches auf einen Wert gesetzt, der höher ist als die Verbrennungsgeschwindigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches, so daß der Mittelteil der Matte (der erste Abschnitt) nicht rotglühend wird. Wenn das durch die Verbrennung erzeugte, hochtemperierte Gas durch den ringförmigen Teil 4b dringt, wird die gesamte Fläche des ringförmigen Teils 4b rotglühend. Die Strahlungsenergie R2, die von dem ringförmigen Teil 4b ausgestrahlt wird und die Strahlungsleistung R1, die von dem hochtemperierten Gas ausgestrahlt wird, strahlen zur Außenseite der Brennkammer durch das Dichtfenster 2. Das durch den ringförmigen Umfangsteil 4b gedrungene Produktgas wird zu der Auslaßöffnung 11 über den Abgasdurchlaß 10 gesendet.
Das oben beschriebene Verfahren erfordert lediglich, daß der Flammenfuß 13 auf dem Mattenmittelteil 4a stabil gehalten wird und die Flamme kann in einem Schwebezustand über der Matte gehalten werden. Entsprechend ermöglicht diese Art von Verbrennung es dem Kraftstoff-Luft-Gemisch, in die Brennkammer unter einem Ausstoßstrom (repräsentative Geschwindigkeit) ausgestoßen zu werden, der wesentlich höher als der des konventionellen Verbrennungsverfahrens ist, das eine Oberflächenverbrennung erhalten muß und sie ermöglicht eine Schwerlastverbrennung.
Während des Zeitraums, den das hochtemperierte Produktgas benötigt, um durch den ringförmigen Teil 4b der gesinterten Fasermatte zu dringen, gewinnt die wärmeleitende Faserstruktur der Matte Abwärme des Produktgases zurück und die rückgewonnene Wärme wird zu dem Mattenmittelteil 4a durch Wärmeleitung der wärmeleitenden Faser der Matte zurückgeführt. Entsprechend dringt das unter Umgebungstemperatur von der Versorgungsöffnung 7 eingetretene Kraftstoff-Luft-Gemisch von dem Versorgungsdurchlaß 9 durch den Mittelteil 4a der gesinterten Fasermatte 4, der durch Abwärme in oben beschriebene Weise erwärmt wurde und tritt in die Brennkammer ein. In dieser Verfahrensweise ist das Gemisch durch das Produktgas genügend erhitzt worden, wenn das Kraftstoff-Luft-Gemisch die Brennkammer erreicht und die Wärmemenge, die zusammen mit dem Produktgas zur Umgebung von der Auslaßöffnung 11 abgegeben wird, wird sehr gering.
Erfindunggemäß wird Abwärme des hochtemperierten Produktgases in dem zweiten Bereich der porösen Brennerkomponente (permeabler Metallwerkstoff) zurückgewonnen und die zurückgewonnene Wärme wird von dem zweiten Bereich in den ersten Bereich übertragen, um den ersten Bereich durch direkte Wärmeleitung zu erhitzen und das durch den ersten Bereich dringende Kraftstoff-Luft-Gemisch wird vorgeheizt. Entsprechend ist die effiziente Übertragung von rückgewonnene Hitze innerhalb der porösen Brennerkomponente ein Schlüssel der in dieser Erfindung auftretenden Verbrennung.
In der oben beschriebenen Ausführungsform dieser Erfindung weist die gesinterte, metallische Fasermatte vorzugsweise die poröse, texturierte Struktur auf, die durch das Vernetzen der Fasern ausschließlich in Richtung der Ebene und das Sintern dieser Fasern zum Bilden geschichteter Faserlagen in der Dickenrichtung gewonnen wird. Mit der Faserstruktur erbringt das die geschichtete, porösen Matte durchdringende Produktgas eine effiziente Wärmerückführung von Produktgas zur Matte und effiziente Wärmbeaufschlagung des Kraftstoff-Luft-Gemisches und der Mattenoberfläche in der Verbrennungszone. Zusätzlich tragen die in der ebenen Richtung ausgerichteten Fasern wesentlich zur Wärmeleitung bei, um bemerkenswert hohe Wärmeleitung zwischen den Mattenteilen der ersten Region und den der zweiten Region bereitzustellen, insbesondere in Richtung der Ebene der Matte, und um die bevorzugte Übertragung von rückgewonnener Wärme durch direkte Wärmeleitung von dem ersten Bereich in den zweiten Bereich zu gewährleisten. Als Ergebnis wird die gesamte Effizienz oder der Gesamtwirkungsgrad der Wärmerückführung wesentlich erhöht.
Fig. 1 zeigt die einzelne Matte 4. Alternativ können zusätzliche Lagen von gesinterten Metallmatten unter der Matte 4 angeordnet werden, an ihr oder unter Einhaltung einer bestimmten Entfernung parallel zu ihr befestigt, oder mehr als eine zusätzliche Lage von gesinterten Metallmatten können in einer solchen Parallelanordnung angewendet werden. Die zusätzlichen gesinterten Metallmatten gewinnen ebenfalls Hitze des Produktgases zurück, das durch den ringförmigen Umfangsteil (den zweiten Bereich) dringt, der durch die Mitteltrennwand 6 abgetrennt ist und empfangen die zurückgewonnene Hitze durch Wärmeleitung in dem Mittelteil (dem ersten Bereich), um das Kraftstoff-Luft-Gemisch vorzuheizen.
Fig. 2 zeigt die schematischen Flammenformen in drei typischen Verbrennungszuständen innerhalb der Brennkammer 5. Die in der Fig. 2 benutzten Symbole korrespondieren zu denen der Fig. 1. Erfindungsgemäß ist die Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches von dem Mittelteil 4a der Matte 4 derart eingestellt, daß eine konisch geformte Verbrennungsflamme gebildet wird. Konkreter ausgedrückt ist die Versorgungsrate des Kraftstoff-Luft-Gemisches derart eingestellt, daß eine stabile Verbrennung unter Bildung einer Blauflamme oder Kernflamme erhalten wird, wie in der Flamme C (Fig. 2 (C)), wobei der Fuß der Flamme 12 in dem Umfangsteil des Mattenmittelteils 4a auf der brennkammerseitigen Oberfläche getragen ist und der Kern der Flamme 12 über der Mattenoberfläche schwebt. Dieser Zustand wird durch das Einstellen der Strömungsgeschwindigkeit auf ein relativ hohes Niveau erreicht.
Wenn sich die Strömungsgeschwindigkeit weiter erhöht oder wenn das Kraftstoff-Luft-Gemisch mager wird, wandelt sich die Flamme 12, so daß sie ein divergentes Muster wie das der Flamme B (Fig. 2 (B)) aufweist, der Beziehung zwischen Verbrennungsgeschwindigkeit und Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches folgend, und wird dann im weiteren der Flamme A (Fig. 2 (A)) ähnlich, wo die sich verbreiternde Flamme sich an den umfänglichen, ringförmigen Teil 4b annähert.
Fig. 3 zeigt die Verbrennungsmerkmale der Verbrennungsmagergrenze (Ausblasgrenze) des Kraftstoff-Luft-Gemisches, wobei die Daten durch ein Verbrennungsexperiment erhalten wurden, bei dem eine experimentelle Vorrichtung benutzt wurde, die die Funktion dieser Erfindung aufweist. Bei der experimentellen Vorrichtung war die Brennerplatte eine gesinterte Edelstahlfasermatter, die einen inneren Durchmesser der Ausstoßdüse für Kraftstoff-Luft-Gemisch im Mittelteil 4a der Brennerplatte von 20 mm aufwies. Die Anzahl der Matten, inklusive der Brennerplatte, war 2.
Die horizontale Achse der Fig. 3 gibt das Äquivalenzverhaltnis φ wieder (Kehrwert des Luftüberschußverhältnis = Verhältnis Kraftstoff zu Luft des zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches, geteilt durch das theoretische Verhältnis Kraftstoff zu Luft; φ = 1,0 spricht dem theoretischen Mischungsverhältnis, kleinere φ-Werte als 110 bedeuten zunehmend magere Kraftstoff-Luft-Gemische). Die vertikale Achse der Figur gibt die Strömungsgeschwindigkeit (repräsentative Geschwindigkeit) des Kraftstoff-Luft- Gemisches an der Austrittsoberfläche der Brennerplatte 4 wieder.
In Fig. 3 beschreibt das Merkmal L1 die magere Entflammungsgrenze, L2 die Verbrennungsgrenze einer stabilen Flamme, gezeigt als die Flamme C (Fig. 2 (C)) und L3 beschreibt die Entflammungsgrenze, bei der keine Rückgewinnung von Abwärme und keine Wärmerückführung auftritt. Ein Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Fähigkeit, die Strömungsgeschwindigkeit wesentlich anzuheben. Die experimentelle Vorrichtung ermöglichte 25-300 cm/s Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches zum Ausführen der Verbrennung, wohingegen die konventionelle Oberflächenverbrennung auf 5-25 cm/s Strömungsgeschwindigkeit begrenzt ist.
Wie klar in der Fig. 3 gezeigt, gewinnt die experimentelle Vorrichtung Abwärme zurück und überträgt einen Wärmekreislauf. Als Ergebnis verlagert sich die magere Entflammungsgrenze (Merkmal L1) im Vergleich zu dem Merkmal L3 der Nicht-Wärmerückgewinnung wesentlich in Richtung der mageren Seite. An der mageren Entflammungsgrenze ist z.B. das Äquivalenzverhältnis φ = 0,39 bei Strömungsgeschwindigkeit Ur = 2 m/s.
Fig. 4 zeigt eine Korrelation von Temperatur, T2, an der stromabwartigen Seite der Oberfläche der Matte (bei der in Fig. 1 mit 14 bezeichneten Position) und Äquivalenzverhältnis, φ, unter Benutzung des Parameters des Strömungsgeschwindigkeit, Ur, des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Die Daten wurden aus einem Verbrennungsexperiment gewonnen, bei dem eine experimentelle Vorrichtung benutzt wurde, die vier Lagen von gesinterten Edelstahlmatten anwendete, wobei die Ausstoßdüse des Mittelteils 4a 20 mm Innendurchmesser und 91 mm Außendurchmesser aufwies. Fig. 4 identifiziert, daß sich bei allen beobachteten Werten der Strömungsgeschwindigkeit Ur eine genügend hohe Temperatur auf der stromabwärtigen Seite der Mattenoberfläche unter einer mageren Bedingung von 0,45- 0,6 des Äquivalenzverhältnises φ ergibt. Die Resultate ergeben sich aus dem Anwachsen der Enthalpie des verbrannten Gases aufgrund der Wärmerückführung innerhalb der Brennkammer durch die Wärmeleitung innerhalb der Matte. Zum Beispiel wird unter der Bedingung eines mageren Äquivalenzverhältnisses φ = 0,45 und einer Strömungsgeschwindigkeit von Ur = 2,0 m/s und der Bedingung von Nicht-Wärmerückführung die Flamme abreißen. Die experimentelle Vorrichtung, die vier Lagen von gesinterten Edelstahlmatten nutzt, ergibt jedoch eine Temperatur in einer Höhe von T2 = 1300 K (1026,85 ºC) unter der oben beschriebenen, erschwerten Bedingung.
Fig. 5 zeigt eine Korrelation von Wärmerückführungsrate, Km, und Strömungsgeschwindigkeit, Ur, unter Benutzung der Parameter Mattenanzahl und Äquivalenzverhältnis φ. Die Daten wurden aus einem Verbrennungsexperiment gewonnen, bei dem die experimentelle Vorrichtung benutzt wurde, die gesinterte Edelstahlmatten anwendete, wobei die Ausstoßdüse des Mittelteils 4a 20 mm Innendurchmesser und 91 mm Außendurchmesser aufwies.
In der Fig. 5 beschreiben die mit einem weißen Dreieck (Δ) bezeichneten Punkte eine Einzelmatte, die mit einem weißen Quadrat ( ) bezeichneten Punkte eine Doppelmatte, und die mit einem weißen Kreis (O) bezeichneten Punkte eine Vierfachmatte. Die Korrelation wurde bei einem Äquivalenzverhältnis φ in einem Bereich von 0,4-0,6 erhalten. Wie klar in Fig. 5 gezeigt, steigt die Wärmerückführungsrate bei Ansteigen der Strömungsgeschwindigkeit Ur und Ansteigen der Mattenanzahl an.
Fig. 6 zeigt eine Korrelation zwischen dem Wirkungsgrad der Verhältnisse von zugeführter Wärme, fMQ, zu Strahlungleistung, R, die von der Brennerverbrennungszone emittiert wird; von zugeführter Wärme, fMQ, zu Konvektionswärmefluß, Hb; von mit dem Produktgas mitgeführter Wärme, Hf, zu zugeführter Wärme, fMQ; und der Strömungsgeschwindigkeit Ur des Kraftstoff-Luft-Gemisches aus der Matte. Die Daten wurden aus einem Verbrennungsexperiment gewonnen, bei dem eine experimentelle Vorrichtung benutzt wurde, die gesinterte Edelstahlmatten anwendete, wobei die Ausstoßdüse des Mittelteils 4a 20 mm Innendurchmesser und 91 mm Außendurchmesser aufwies. Das Äquivalenzverhältnis φ wurde konstant bei 0,5 gehalten.
Wie in Fig. 6 gezeigt, steigt der Wärmestrahlungsnutzungsgrad R/fMQ mit dem Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit Ur an. Der Konvektionswirkungsgrad Hb/fMQ sinkt mit dem Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit Ur. Das Verlustverhältnis Hf/fMQ, abgeführt durch das Abgas, steigt mit Ansteigen der Strömungsgeschwindigkeit Ur an. Der Anstieg des Wärmestrahlungwirkungsgrades R/fMQ als effektive Nutzung der Wärme und die Verringerung des Konvektionswirkungsgrades Hb/fMQ werden aus dem Phänomen hergeleitet, daß das Ansteigen der Strömungsgeschwindigkeit Ur die Flamme in die Nähe der stromabwartigen Mattenoberfläche innerhalb der Brennkammer treibt. Diese Bewegung ermöglicht es, die Enthalpie des verbrannten Gases effizienter in Strahlung zu konvertieren.
Fig. 7 beschreibt eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung. Mehrere, mehr als eine, erste Regionen (Kraftstoff-Luft-Gemisch-Ausstoßöffnung) 4a sind durch das Anordnen von zylindrischen Trennwänden (Versorgungsdurchlaßrohren) 6 in einem bestimmten Abstand auf der gesinterten Metallfasermatte 4 ausgebildet, die eine relative große Oberfläche aufweist. Mit der Verbrennungsvorrichtung mit ebenen Mehrfachöffnungen wird Kraftstoff-Luft-Gemisch aus mehr als einer Ausstoßöffnung 4a ausgestoßen, die auf der großflächigen Matte ausgebildet und unter einer bestimmten Beabstandung angeordnet sind, um das Gemisch vollständig in der Brennkammer 5, die durch das Übertragungsfenster 2 gedichtet ist, zu verbrennen. Das erzeugte hochtemperierte verbrannte Gas dringt zwischen den Ausstoßöffnungen 4a durch die Mattenebene (den zweiten Bereich) 4b, um auf Rotglut zu erhitzen und die Wärme von dem verbrannten Gas rückzugewinnen. Die rückgewonnene Wärme wird in dem ersten Bereich 4a durch die Wärmeleitung der Matte in die Matte rückgeführt, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch vorzuheizen. Die in der Fig. 7 benutzten Symbole korrespondieren zu denen der Fig. 1.
Fig. 8 beschreibt eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung, die zur Wärmebehandlung von Stahlblechen bevorzugt ist. In dieser Vorrichtung ist die Heizvorrichtung durch das Anordnen von Brennern mit ebenen Mehrfachöffnungen im Gegenstrom hergestellt, wobei die Konfiguration der Vorrichtung ähnlich zu der der Fig. 7 ist, außer daß das Übertragungsfenster eliminiert ist. Das zu erhitzende Stahlblech 30 dringt durch den Raum zwischen den Reihen von sich zugewandten Brennern. Das Lecken des verbrannten Gases durch die Einlaß- und Auslaßspalte des Durchlasses für das Stahlblech 30 zur Außenseite der Einfassung 1 wird verhindert, indem es durch das Produktgasgebläse stromabwärts der Auslaßöffnung 10 angesaugt wird. Die Symbole der Fig. 8 entsprechen denen der Fig. 7.
Die Form der Brennerplatte und der einzelnen Wärmeleitungslagen ist willkürlich derart gewählt, daß sie kreisförmig, rechteckig oder polygonal sein können und die Ebene ist nicht notwendigerweise flach, sondern es kann eine gekrümmte oder geknickte Fläche angewendet werden. Das Dichtfenster muß nicht installiert sein, wenn das zu erwärmende Objekt innerhalb kurzer Entfernung angeordnet ist.
Wie oben beschrieben, erwärmt die erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung mit Wärmerückführung die Oberfläche von permeablen Metallwerkstoffen (Matten) an der Auslaßseite des Produktgases auf einen rotglühenden Zustand mittels eines hochtemperierten, verbrannten Gases, so daß die Vorrichtung ein mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch (niedrigkalorisches Gas) verwenden kann, um im Vergleich zu der konventionellen Verbrennungsvorrichtung, die einen Oberflächenverbrennungs- Brenner verwendet, einen zuverlässigen, ebenen und rotglühenden Zustand zu erhalten. Zusätzlich erzielt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Schwerlastverbrennung jenseits der Grenze für den Kraftstoff-Luft-Durchsatz in konventionellen Vorrichtungen und steigert den Strahlungswirkungsgrad wesentlich, um Wärmeverlust zu reduzieren.
Darüber hinaus wendet die erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung mit einer Wärmerückführungsfunktion die wärmeleitende, permeable Metallkomponente an, die z.B. aus gesinterten Metallfasermatten hergestellt ist, um die Wärme direkt von dem hochtemperierten Produktgas rückzugewinnen, das durch die Oberfläche des Verbrennungsteils dringt und um das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch die Rückführung der zurückgewonnene Wärme unter Benutzung der Wärmeleitung innerhalb der permeablen Metallkomponente vorzuheizen. Als Ergebnis stellt die Verbrennungsvorrichtung dieser Erfindung mit einer kleineren Vorrichtung einen höheren Strahlungswirkungsgrad bereit, als die Vorrichtung, die einen Wärmekreislauf bereitstellt, indem die Wärmeübertragung durch eine Trennwand auf dem zylindrischen Verbrennungszylinder benutzt wird. Ebenfalls ermöglicht die erfindungsgemäßen Vorrichtung die Rückführung einer genügenden Wärmemenge, indem Wärme von dem Produktgas unter hohem Wirkungsgrad zurückgewonnen wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt weiterhin ein kompaktes Wärmerückgewinnungssystem in der Verbrennungsvorrichtung bereit, ohne einen besonderen Wärmetauscher und Sammler zu verwenden. Da die Vorrichtung dieser Erfindung geeignet ist, dem Brenner Wärme rückzuführen, ist die Struktur der Verbrennungsvorrichtung mit einer Wärmerückführungfunktion relativ einfach.

Claims

1. Verbrennungvorrichtung mit Wärmerückführung, umfassend:

eine poröse Brennerkomponente (4) aus einem permeablen Werkstoff mit einer Lage in einer rechtwinkligen Richtung zu einer Dicke dieser Lage, wobei die poröse Brennerkomponente zumindest einen ersten Bereich (4a) aufweist, durch den ein Kraftstoff-Luft-Gemisch strömt, um aus ihm in eine Brennkammer (5) ausgestoßen zu werden;

zumindest einen zweiten Bereich (4b), durch den eine Hochtemperatur-Produktgas strömt, das durch Verbrennung des Kraftstoff-Luft[-Gemisches] erzeugt ist, um eine Oberfläche des zweiten Bereiches (4b) der porösen Brennerkomponente auf Rotglut zu erhitzen, wobei durch den zweiten Bereich (4b) von dem Hochtemperatur-Produktgas zurückgewonnene Wärme durch den permeablen Werkstoff zu dem ersten Bereich (4a) geleitet wird;

wobei die Brennkammer (5) derart angeordnet ist, daß sie sowohl den ersten Bereich (4a) als auch den zweiten Bereich (4b) bedeckt und diese Bereiche einfaßt; und

zumindest eine zylindrische Trennwand (6), die einen Versorgungsdurchlaß (9) für eine Reaktionsmischung von einem Auslaßdurchlaß (10) für ein Produktgas trennt;

dadurch gekennzeichnet, daß

der erste Bereich (4a) und der zweite Bereich (4b) der porösen Brennerkomponente durch eine im wesentlichen kontinuierliche, metallische Sinterlage ausgebildet sind;

die Kraftstoff-Luft-Gemischversorgung an der Innenseite der zylindrischen Trennwand (6) ist;

das Kraftstoff-Luft-Gemisch über den ersten Bereich (4a) in die Brennkammer (5) mit einer Geschwindigkeit strömt, die größer als eine Verbrennungsgeschwindigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches ist, um einen Flammenfuß auf dem Umfang einer Kraftstoff-Luft-Ausstoßfläche auszubilden; und

der zweite Bereich (4b) zu dem ersten Bereich (4a) benachbart und außerhalb von ihm angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fläche des ersten Bereiches (4a) kleiner ist als eine Fläche des zweiten Bereiches (4b).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerkomponente (4) eine oder mehrere Lagen aufweist.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Trennwand (6) aus einem wärmeleitenden Material gebildet ist.

5. Verfahren zum Betreiben eine Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß:

eine Kraftstoff-Luft-Gemisch-Versorgungseinrichtung (8) den vorgennanten Versorgungsdurchlaß (9) für eine Reaktionsmischung mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch und einer derart gesteuerten Rate beaufschlagt, daß die Strömungsgeschwindigkeit des durch den ersten Bereich (4a) der porösen Brennerkomponente (4) in die Brennkammer (5) dringenden Gemisches größer ist als die Verbrennungsgeschwindigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches, wobei das Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird, wenn es sich in der Brennkammer befindet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem ersten Bereich (4a) ausgestoßene Kraftstoff-Luft- Gemisch eine Flamme innerhalb der Brennkammer (5) bildet, die an dem Umfang des ersten Bereiches (4a) derart angeordnet ist, daß der erste Bereich der porösen Brennerkomponente (4) nicht rotglühend wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem ersten Bereich (4a) ausgestoßene Kraftstoff-Luft- Gemisch eine Flamme innerhalb der Brennkammer (5) bildet, die oberhalb des ersten Bereiches (4a) derart schwebt, daß der erste Bereich der porösen Brennerkomponente (4) nicht rotglühend wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochtemperatur-Produktgas während des Zeitabschnittes, in dem das Hochtemperatur-Produktgas durch die Flamme produziert wird, durch den zweiten Bereich (4b) der porösen Brennerkomponente (4) abströmt; der permeable Werkstoff des zweiten Bereiches (4b) Wärme von dem Hochtemperatur-Produktgas rückgewinnt; und die rückgewonnene Wärme in den ersten Bereich (4a) der porösen Brennerkomponente rückgeführt wird, um den ersten Bereich (4a) und somit das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erhitzen, während es durch den ersten Bereich (4a) der porösen Brennerkomponente (4) dringt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtfläche des zweiten Bereiches (4b) der porösen Brennerkomponente (4) rotglühend wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsleistung (R2), die von der Gesamtfläche des zweiten Bereiches (4b) der porösen Brennerkomponente (4) ausgestrahlt wird und die Strahlungsleistung (R1), die von dem Hochtemperatur-Produktgas ausgestrahlt wird, zur Außenseite der Brennkammer (5) durch ein Dichtfenster (2) abgestrahlt werden.