EP0913640A2 - Brennkammer, insbesondere für Gas-Warmwasserbereiter- und Gas-Heizungsgerätebrenner - Google Patents

Brennkammer, insbesondere für Gas-Warmwasserbereiter- und Gas-Heizungsgerätebrenner Download PDF

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EP0913640A2
EP0913640A2 EP98119352A EP98119352A EP0913640A2 EP 0913640 A2 EP0913640 A2 EP 0913640A2 EP 98119352 A EP98119352 A EP 98119352A EP 98119352 A EP98119352 A EP 98119352A EP 0913640 A2 EP0913640 A2 EP 0913640A2
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EP
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combustion chamber
chamber according
temperature
reflecting layer
ceramic
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Robert Bosch GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23M5/00—Casings; Linings; Walls
    • F23M5/08—Cooling thereof; Tube walls
    • F23M5/085—Cooling thereof; Tube walls using air or other gas as the cooling medium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M2900/00—Special features of, or arrangements for combustion chambers
    • F23M2900/05004—Special materials for walls or lining

Definitions

  • the invention relates to a combustion chamber, in particular for Gas water heaters and gas heater burners that a at least laterally delimiting the combustion chamber Have a combustion chamber wall made of temperature-resistant material, the combustion chamber having a burner at a lower level and has a heat exchanger arranged above it.
  • Such a combustion chamber is e.g. from DE 30 24 792 C2 known.
  • combustion chambers are used for the combustion chamber wall Thermal insulation mostly made of ceramic fibers used, the wall thickness is about 10 mm and for Stabilization are provided with a sheet metal jacket. At full load operation of gas-fired device burners occur the outer surface of the combustion chamber wall, i.e. on the sheet metal casing Peak temperatures up to approx. 300 ° C. The average wall temperature is over 200 ° C. Thereby the combustion chamber experiences radiation losses that are common are in the range of 5-9%.
  • the ceramic fiber thermal insulation panels used for the combustion chamber wall represent an inexpensive solution for the required thermal insulation of the combustion chamber wall, however have a biologically and physiologically questionable Fiber material through openings in the sheet metal jacket step out and into the lungs of a living being, especially of a human being.
  • the above task is in a generic combustion chamber solved according to the invention in that the combustion chamber wall through a self-supporting high temperature resistant ceramic thermal insulation panel with low thermal conductivity is formed, which on its inner wall surface is coated with an infrared reflecting layer.
  • the infrared reflecting layer improved reflective properties of the inner surface of the Combustion chamber wall, the transmission losses of the Combustion chamber reduced, the heat remains in one larger part in the combustion chamber or in the combustion gases and can be transferred to the water via the heat exchanger be fed.
  • a high water efficiency can be achieved with this combustion chamber wall achieve without water cooling.
  • the thickness of the infrared reflecting layer is only a few ⁇ m.
  • Such a layer can be flame or Plasma spraying, vapor deposition or on chemical / electrochemical Be applied away.
  • a material for this Temperature resistant metals and coating come Metal alloys and according to their emission spectrum selected ceramic materials, e.g. Alumina in question.
  • Ceramic material existing coating is for the degradation of Temperature peaks and especially to avoid cracks advantageous.
  • the coating eliminates temperature peaks at the Dismantled inside the combustion chamber wall. An even one The result is temperature distribution. In the self-supporting Thermal insulation board used ceramic Backing material is caused by temperature peaks thermal stresses and shrinkage cracks reduced or avoided.
  • the combustion chamber wall can be opened have a sheet metal casing on their outer surface.
  • This Sheet metal sheathing can be between itself and the ceramic Plate have an air gap, so that additional air through openings on the underside of the combustion chamber wall in enter this air gap and the ceramic plate of the Can cool the combustion chamber wall.
  • the only drawing figure shows schematically one Cross section through a section of an inventive Embodiment of the proposed combustion chamber.
  • the combustion chamber 4 shown in the figure forms one from the combustion chamber wall 1 laterally surrounded space, and a Burner 2 is in a down position and on Heat exchanger 3 at an overlying position arranged.
  • the burner 2 is preferably a gas burner a gas water heater or gas heater.
  • the combustion chamber wall 1 consists of a self-supporting high temperature resistant ceramic Thermal insulation plate 10 with low thermal conductivity, that on its inner wall surface 11 with a layer 12 is provided, which is primarily the infrared radiation spectrum reflected.
  • This layer 12 is either through Flame or plasma spraying, by vaporization or on applied chemical / electrochemical way.
  • the material of the thin infrared reflecting layer 12 on the inner wall surface of the heat-insulating ceramic Plate 10 can e.g. a temperature-resistant metal or too be a temperature-resistant metal alloy. Alternatively, you can the infrared reflecting layer from a according to his Emission spectrum selected ceramic material consist. Such a ceramic material of layer 12 can e.g. Be alumina.
  • the figure shows the thickness of the layer 12 in Relative to the thickness of the ceramic plate 10 exaggerated represents.
  • the thickness of the infrared reflective layer should only be a few ⁇ m.
  • One for the self-supporting heat-insulating ceramic Suitable material is high temperature resistant Structural ceramics, e.g. a well-known from gas turbine construction Silicon nitride or silicon carbide material.
  • the combustion chamber wall 1 does not necessarily need an additional support or casing.
  • the ceramic plate 10 encasing sheet metal jacket 14 is provided be.
  • This sheet metal jacket 14 can be arranged such that between the heat insulating high temperature resistant ceramic plate 10 and the sheet metal jacket 14 an air gap 13 remains, the one of the burner during operation cool air flow from the ambient air flows through, through openings on the underside of the combustion chamber wall and through other openings at the top of the same can leak. This air flow through the air gap 13 cools the ceramic plate 10 on its outside and additionally the sheet metal jacket 14.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer, insbesondere für Gas-Warmwasserbereiter- und Gas-Heizungsgerätebrenner, die eine die Brennkammer (4) wenigstens seitlich begrenzende Brennkammerwand (1) aus temperaturfestem Material aufweisen, wobei die Brennkammer (4) einen tieferliegenden Brenner (2) und einen darüber angeordneten Wärmeübertrager (3) aufweist, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Brennkammerwand (1) durch eine selbsttragende hochtemperaturfeste keramische Wärmeisolationsplatte (10) mit geringer Wärmeleitfähigkeit gebildet ist, welche auf ihrer Innenwandfläche (11) mit einer infrarotreflektierenden Schicht (12) beschichtet ist. <IMAGE>

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Brennkammer, insbesondere für Gas-Warmwasserbereiter- und Gas-Heizungsgerätebrenner, die eine die Brennkammer wenigstens seitlich begrenzende Brennkammerwand aus temperaturfestem Material aufweisen, wobei die Brennkammer einen tieferliegenden Brenner und einen darüber angeordneten Wärmeübertrager aufweist.
Eine solche Brennkammer ist z.B. aus DE 30 24 792 C2 bekannt.
Für die Brennkammerwand bekannter Brennkammern werden zur Wärmedämmung zumeist aus Keramikfasern bestehende Platten verwendet, deren Wandstärke etwa 10 mm beträgt und die zur Stabilisierung mit einer Blechummantelung versehen sind. Bei Vollastbetrieb von Gas-Keizungsgerätebrennern treten an der Außenfläche der Brennkammerwand, d.h. an der Blechummantelung Spitzentemperaturen bis ca. 300°C auf. Die mittlere Wandtemperatur liegt bei über 200°C. Dadurch erfährt die Brennkammer Abstrahlverluste, die üblicherweise im Bereich von 5-9% liegen.
Die für die Brennkammerwand verwendeten Keramikfaser-Wärmedämmplatten stellen zwar eine kostengünstige Lösung für die geforderte Wärmedämmung der Brennkammerwand dar, weisen jedoch ein biologisch und physiologisch bedenkliches Fasermaterial auf, das durch Öffnungen in der Blechummantelung nach außen treten und in die Lunge eines Lebewesens, besonders eines Menschen gelangen kann.
Kurzfassung der Erfindung
Angesichts des oben Gesagten ist es Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Brennkammer so zu ermöglichen, daß bei ausreichender Wärmedämmung der Brennkammerwand an ihrer Außenfläche keine gefährlich hohen Temperaturen auftreten, daß der Wasserwirkungsgrad durch die herabgesetzte Außenwandtemperatur erhöht und daß gleichzeitig die Emission gesundheitsgefährlicher Keramikpartikel vermieden ist.
Die obige Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Brennkammer erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Brennkammerwand durch eine selbsttragende hochtemperaturfeste keramische Wärmeisolationsplatte mit geringer Wärmeleitfähigkeit gebildet ist, welche auf ihrer Innenwandfläche mit einer infrarotreflektierenden Schicht beschichtet ist.
Durch die durch die infrarotreflektierende Schicht verbesserten Reflexionseigenschaften der Innenfläche der Brennkammerwand werden die Transmissionsverluste der Brennkammer verringert, die Wärme verbleibt zu einem größeren Teil in der Brennkammer bzw. in den Verbrennungsgasen und kann über den Wärmeübertrager dem Wasser zugeführt werden.
Mit dieser Brennkammerwand läßt sich ein hoher Wasserwirkungsgrad ohne Wasserkühlung erzielen.
Die Dicke der infrarotreflektierenden Schicht beträgt nur einige µm. Eine solche Schicht kann durch Flamm- oder Plasmaspritzen, Bedampfung oder auf chemischem/elektrochemischem Weg aufgebracht werden. Als Werkstoff für diese Beschichtung kommen temperaturfeste Metalle und Metallegierungen sowie nach ihrem Emissionsspektrum ausgewählte keramische Materialien, wie z.B. Aluminiumoxid in Frage.
Eine aus einem Aluminiumoxid oder aus einem anderen hinsichtlich seines Emmisionsspektrums ausgewählten Keramikmaterial bestehende Beschichtung ist zum Abbau von Temperaturspitzen und zur Vermeidung von Rissen besonders vorteilhaft.
Durch die Beschichtung werden Temperaturspitzen an der Innenseite der Brennkammerwand abgebaut. Eine gleichmäßige Temperaturverteilung ist die Folge. In dem als selbsttragende Wärmeisolationsplatte verwendeten keramischen Trägermaterial werden so durch Temperaturspitzen hervorgerufene thermische Spannungen und Schwundrisse abgebaut bzw. vermieden.
Bei einer Weiterbildungsform kann die Brennkammerwand auf ihrer Außenfläche eine Blechummantelung aufweisen. Diese Blechummantelung kann zwischen sich und der keramischen Platte einen Luftspalt aufweisen, so daß zusätzlich Luft durch Öffnungen an der Unterseite der Brennkammerwand in diesen Luftspalt eintreten und die keramische Platte der Brennkammerwand kühlen kann.
Zeichnung
Die einzige Zeichnungsfigur zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Abschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der vorgeschlagenen Brennkammer.
Die in der Figur dargestellte Brennkammer 4 bildet einen von der Brennkammerwand 1 seitlich umgebenen Raum, und ein Brenner 2 ist in einer unteren Position und ein Wärmeübertrager 3 an einer darüber liegenden Position angeordnet. Der Brenner 2 ist bevorzugt ein Gasbrenner eines Gas-Warmwasserbereiters oder Gas-Heizungsgeräts.
Im Ausführungsbeispiel besteht die Brennkammerwand 1 aus einer selbsttragenden hochtemperaturfesten keramischen Wärmeisolationsplatte 10 mit geringer Wärmeleitfähigkeit, die auf ihrer Innenwandfläche 11 mit einer Schicht 12 versehen ist, die vor allem das infrarote Strahlungsspektrum reflektiert. Diese Schicht 12 wird entweder durch Flamm- oder Plasmaspritzen, durch Bedampfung oder auf chemischem/elektrochemischem Weg aufgebracht.
Das Material der dünnen, infrarotreflektierenden Schicht 12 auf der Innenwandfläche der wärmeisolierenden keramischen Platte 10 kann z.B. ein temperaturfestes Metall oder auch eine temperaturfeste Metallegierung sein. Alternativ kann die infrarotreflektierende Schicht aus einem gemäß seinem Emissionsspektrum ausgewählten keramischen Material bestehen. Ein solches keramisches Material der Schicht 12 kann z.B. Aluminiumoxid sein.
Es ist deutlich, daß die Figur die Dicke der Schicht 12 im Verhältnis zur Dicke der Keramikplatte 10 übertrieben darstellt. Die Dicke der infrarotreflektierenden Schicht soll nämlich nur einige µm betragen.
Ein für die selbsttragende wärmeisolierende keramische Platte geeignetes Material ist hochtemperaturbeständige Strukturkeramik, z.B. ein aus dem Gasturbinenbau bekanntes Siliziumnitrid- oder Siliziumkarbidmaterial.
Da die keramische Wärmeisolationsplatte 10 selbsttragend ist, braucht die Brennkammerwand 1 nicht notwendigerweise eine zusätzliche Abstützung oder Ummantelung.
Um jedoch die relativ teure wärmeisolierende keramische Platte 10 aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik vor mechanischer Beschädigung zu schützen, kann zusätzlich ein die Keramikplatte 10 ummantelnder Blechmantel 14 vorgesehen sein. Dieser Blechmantel 14 kann so angeordnet sein, daß zwischen der wärmeisolierenden hochtemperaturbeständigen keramischen Platte 10 und dem Blechmantel 14 ein Luftspalt 13 verbleibt, der beim Betrieb des Brenners von einem kühlen Luftstrom aus der Umgebungsluft durchströmt wird, der durch Öffnungen an der Unterseite der Brennkammerwand ein- und durch andere Öffnungen an der Oberseite derselben austreten kann. Dieser Luftstrom durch den Luftspalt 13 kühlt die Keramikplatte 10 auf ihrer Außenseite und zusätzlich den Blechmantel 14.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Querschnitt der Brennkammerwand rechteckig, so daß sich eine derart konstruierte Brennkammer besonders für den Einsatz in Gas-Warmwasserbereitern und Gas-Heizungsgerätebrennern eignet.

Claims (10)

  1. Brennkammer, insbesondere für Gas-Warmwasserbereiter- und Gas-Heizungsgerätebrenner, die eine die Brennkammer (4) wenigstens seitlich begrenzende Brennkammerwand (1) aus temperaturfestem Material aufweisen, wobei die Brennkammer (4) einen tieferliegenden Brenner (2) und einen darüber angeordneten Wärmeübertrager (3) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammerwand (1) durch eine selbsttragende hochtemperaturfeste keramische Wärmeisolationsplatte (10) mit geringer Wärmeleitfähigkeit gebildet ist, welche auf ihrer Innenwandfläche (11) mit einer infrarotreflektierenden Schicht (12) beschichtet ist.
  2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die selbsttragende wärmeisolierende keramische Platte (10) aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik besteht.
  3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der infrarotreflektierenden Schicht (12) einige µm beträgt.
  4. Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die infrarotreflektierende Schicht (12) aus einem temperaturfesten Metall oder einer solchen Metallegierung besteht.
  5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die infrarotreflektierende Schicht (12) aus einem nach seinem Emissionsspektrum ausgewählten keramischen Material besteht.
  6. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material der infrarotreflektierenden Schicht (12) Aluminiumoxid, z.B. Korund, ist.
  7. Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hochtemperaturbeständige keramische Wärmeisolationsplatte (10) der Brennkammerwand (1) zusätzlich auf ihrer Außenwandfläche eine Blechummantelung (14) aufweist.
  8. Brennkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechummantelung unter Einhaltung eines Luftspaltes (13) die keramische Platte (10) ummantelt.
  9. Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Brennkammerwand rechteckig ist.
  10. Brennkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Gas-Warmwasserbereitern und Gas-Heizungsgerätebrennern einsetzbar ist.
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