EP1249595A2 - Wärmeerzeuger für einen Stirlingmotor - Google Patents

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EP1249595A2
EP1249595A2 EP02008529A EP02008529A EP1249595A2 EP 1249595 A2 EP1249595 A2 EP 1249595A2 EP 02008529 A EP02008529 A EP 02008529A EP 02008529 A EP02008529 A EP 02008529A EP 1249595 A2 EP1249595 A2 EP 1249595A2
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EP
European Patent Office
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heat generator
generator according
burner
fuel
combustion chamber
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EP02008529A
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EP1249595B1 (de
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Andreas Baumüller
Andreas Laug
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SOLO STIRLING GMBH
Original Assignee
Solo Kleinmotoren GmbH
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    • F02G2243/34—Regenerative displacers having their cylinders at right angle, e.g. "Robinson" engines
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    • F02G2244/10—Single-acting two piston engines of stationary cylinder type having cylinders in V-arrangement
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Definitions

  • the invention relates to a heat generator for one Stirling engine with a burner, with a combustion chamber, with a fuel supply, with a combustion air supply and with a heater, the heater and the combustion chamber by means of a casing tube and a housing against the Environment are sealed.
  • the heat generator is used to drive the Stirling engine required thermal energy to the heater transfer. This will result in recirculation of the flue gases used to increase the proportion of nitrogen oxides in the flue gas reduce.
  • the invention has for its object a heat generator to provide for a Stirling engine in which the Emission values further improved over a wide load range and especially the nitrogen oxides in the flue gas be reduced.
  • This is supposed to be a flue gas cleaning for example by a catalyst.
  • the heat generator has to be very compact.
  • This task is for a heat generator for one Stirling engine with a burner, with a combustion chamber, with a fuel supply, with a combustion air supply and with a heater, the heater and the combustion chamber by means of a casing tube and a housing against the Environment are sealed, solved by the fact that between Burner and heater a mixing tube is arranged that between the burner outlet end and the burner end There is a recirculation gap at the end of the mixing tube, that the fuel supply is a first fuel lance and that the first fuel lance at least indirectly into one of the recirculation gap, burner and Mixing tube limited mixing zone opens according to the invention solved by using a heat generator for a Stirling engine a combustion chamber having at least one outlet, with a fuel supply, with a Combustion air supply, and with a heater, the Heater and the combustion chamber by means of a casing tube and a housing are sealed from the environment and wherein a mixing tube is arranged between the combustion chamber and the heater and between the outlet end of the combustion chamber and A recirculation
  • the heat generator according to the invention it is possible to bring about a predominantly flameless oxidation of the fuel, which leads to drastic reductions in the nitrogen oxide content in the flue gases. It has been possible to use a heat generator according to the invention to reduce the emissions of NO x to 10 mg / m 3 , of CO to 20 mg / m 3 and the emissions of hydrocarbons or soot below the detection limit. All of this is possible without aftertreatment of the flue gases, so that the Stirling engine equipped with the heat generator according to the invention can be operated economically and nonetheless in an environmentally friendly manner.
  • the heat generator according to the invention enables a power modulation of approximately 1: 3.5.
  • the combustion air is heated to over 600 ° C and a large amount of flue gas recirculated so that the occurring Temperatures are significantly lower despite the air preheating than with combustion with flame formation. For this reason the formation of thermal nitrogen oxides is suppressed.
  • the heat generator according to the invention is simple built so that the cost of producing the Heat generator according to the invention only slightly above those of a heat generator according to the prior art.
  • fuel can be mixed into the Fresh air or pre-chamber mixing can be carried out.
  • the Fuel guide has a second fuel lance that the second fuel lance opens into the pre-combustion chamber, and that an ignition device is provided in the pre-combustion chamber is, so that an automatic commissioning of the Heat generator is easily possible.
  • the subsequent combustion with flame formation is used to heat the burner, the mixing tube and the Heater and the air preheater.
  • the Recirculated flue gas temperature is sufficiently high the reaction of the fuel with the combustion air being able to maintain the first fuel lance opened so the flameless oxidation in the space between Fuel chamber and mixing tube can begin.
  • opening the first fuel lance the second fuel lance is closed so that none There is more flame formation inside the burner.
  • the first Fuel lance and the second fuel lance coaxial to execute each other.
  • the mixing tube on his Outside diameter has a flange and that it is between the heater and the housing of the burner are clamped, and / or that the pre-combustion chamber and the mixing tube are braced against each other and / or that Combustion chamber mixing tube and heater clamped against the housing are. It has proven to be particularly advantageous highlighted when between combustion chamber and housing Bellows and / or a spring are provided, which the Cause tension.
  • the ignition device spring-loaded Press the direction of thermal expansion against the pre-combustion chamber.
  • the Compensation of thermal expansion can also be done with weights. These weights push all internals against the one below lying heater.
  • a pressure difference that is already present in the heat generator can be used to compensate for thermal expansion.
  • the burner is displaceable in the longitudinal direction Combustion chamber built-in. Due to the pressure difference between Air intake and combustion chamber, the burner acts like a piston and presses the internals against the heater. This will help the embodiment described below a Contact force of about 30N reached.
  • Recuperator or a regenerator for preheating the Combustion air can be provided with the flue gases.
  • recuperator or the regenerator results in a space-saving and efficient Design of the recuperator or the regenerator, if this is arranged concentrically with the combustion chamber Recuperator or the regenerator itself from the base plate up extends to the recirculation gap and when the recuperator or the regenerator in the radial direction from an inner one Cladding tube and an outer cladding tube is limited.
  • Within of the recuperator are provided, which a Prevent the smoke gases from mixing with the combustion air and still a good heat transfer from the flue gas to the Ensure combustion air.
  • Recuperators can be used in the heat generator according to the invention.
  • recuperator is made of a metallic material.
  • the mixing tube has a length of 2.5 x the diameter of the mixing tube to 8 x the diameter of the mixing tube, in particular of 3.6 x the diameter of the mixing tube and a cross-sectional area of 70 mm 2 / kW th to 400 mm 2 / kW th , in particular 160 mm 2 / kW th .
  • the recirculation gap has an area of 200 mm 2 / kW th to 600 mm 2 / kW th , in particular 275 mm 2 / kW th .
  • FIG. 1 For purposes of this specification, it has proven to be advantageous if the openings have a cross-sectional area of 7.5 mm 2 / kW th in total to 30 mm 2 / kW th , in particular 17 mm 2 / kW th .
  • the nozzles with the longitudinal axis of the Heat generator an angle between 20 ° and 30 °, in particular 25 °.
  • the operating behavior of the heat generator according to the invention in the start-up phase without flameless oxidation is improved if the fuel from the second fuel lance via a Distribution chamber and a pinhole in the pre-combustion chamber can flow, and / or the nozzles with their the Project the end facing away from the mixing zone into the pre-combustion chamber.
  • the heat generator according to the invention can also be modulating be operated when the temperature of the heater is detected the pressure of the combustion air in the flow direction a combustion air fan is detected, the Amount of combustion air depending on the temperature of the Is regulated and the amount of gas depending on the heater Combustion air pressure with a constant pressure regulator is regulated. This procedure leaves an almost equally good one Modulation of the power of the heat generator too.
  • the amount of gas by a Ratio pressure regulator or a constant pressure regulator regulated is, it being particularly advantageous if the Zero shift and / or the gain of the Ratio pressure regulator are adjustable.
  • the amount of combustion air can be changed by changing the speed of a Blower or by changing the position of a throttle valve in the combustion air supply can be regulated.
  • the temperature is at least one Temperature sensor, particularly preferably by two Temperature sensor, is monitored.
  • the pressure in the pre-combustion chamber as the control pressure for the Gas control is used, it is particularly advantageous when the pressure in the pre-combustion chamber is determined by measuring the Pressure is detected in the second fuel lance, because in the Pre-combustion chamber the same pressure as in the second Fuel lance prevails, the temperatures in the switched off second fuel lance clearly are lower than in the pre-combustion chamber.
  • Commissioning of the heat generator according to the invention takes place in that the heat generator through the second Fuel lance is brought to operating temperature, whereby the combustion in the second fuel lance by one known automatic burner controls is monitored. The transition on the flameless oxidation occurs as soon as the heat generator has reached its operating temperature. Then the second one Fuel lance switched off and the first fuel lance switched on so that there is a predominantly flameless Can form oxidation.
  • the heat generator according to the invention can advantageously with the methods claimed in claims 27 to 38 operate.
  • the Stirling engine has a crankcase 1 in which one Crankshaft 3 is rotatably mounted. On a crank pin 5 Crankshaft 3 are a first connecting rod 7 and a second connecting rod 9 rotatably mounted.
  • the first connecting rod 7 is over a first one Cross head 10 and a first piston rod 11 with a Compression piston 12 connected.
  • the second connecting rod 9 is over a second cross head 13 and a second piston rod 14 with connected to a working piston 15.
  • the constructive Design of compression pistons 12 and working pistons 15 is not important in connection with FIG. 1 and will therefore not explained in more detail here.
  • the Compression piston 12 runs in a compression cylinder 16, during the working piston 15 in a working cylinder 17th running.
  • the crankshaft 3 and the crank pin 5 are oil lubricated while the compression piston 12 and the Working piston 15 dry in the compression cylinder 16 or in Working cylinder 17 run.
  • the working gas can be pushed back and forth.
  • the working gas there takes the working gas, not shown in Fig. 1
  • the regenerator 21 generally consists of a package of wire screens that are in Fig. 1 are not shown in detail.
  • any Stirling engine can be used as a heat source Heat source with sufficient temperature level used 1 in the exemplary embodiment according to FIG Burner used (not shown), which is a gaseous or burn liquid fuel.
  • the so-called The high temperature range of the Stirling engine is through a Thermal insulation 27 protected against heat loss.
  • FIG. 2 is a heat generator according to the invention with a Burner 28 with a pre-combustion chamber 29 in partial longitudinal section shown.
  • a combustion chamber 30 is connected to the burner 28 a mixing tube 31 and the heater 23.
  • heater 23 the heat of the flue gases 59 to that not shown Transfer the working gas of the Stirling engine.
  • the fuel will be supplied via a fuel supply 33.
  • Be outside Burner 28 and combustion chamber 30 from a casing tube 35 and only partially shown housing 37 with a base plate 39 limited.
  • the burner 28 is longitudinally displaceable on the Base plate 39 attached.
  • the fuel supply 33 consists of a first one Fuel lance 41 and a second coaxially arranged Fuel lance 43.
  • the first fuel lance 41 opens outside the pre-combustion chamber 29 in a mixing zone 45, which on the one hand from the pre-combustion chamber 29 and on the other hand from a cover plate 46 is limited.
  • the second fuel lance 43 opens out over several Outlet openings 47 in a distribution chamber 48
  • Pinhole 49 is the distribution chamber 48 from the actual one Pre-combustion chamber 29 separated.
  • the combustion air which in Fig. 2 is indicated by the arrows 51, also flows in the pre-combustion chamber 29.
  • the fuel mixes after the Flowing through the pinhole 49 with the combustion air an ignitable mixture.
  • By an ignition device 53 can this ignitable mixture will ignite and burn in the pre-combustion chamber 29 to form a flame.
  • the flue gas flows out of the pre-combustion chamber 29 via nozzles 55 as through Arrows 57 is indicated in the mixing zone 45 and that Mixing tube 31. After flowing through the mixing tube 31 the flue gases, which are indicated by the number 59 provided arrows are indicated by the heater 23 performed after it has previously been deflected by the housing 37 are.
  • the first fuel lance 41 is opened, which via Openings 65, a collection space 66 and openings 67 in the Mixing zone 45 between pre-combustion chamber 29 and mixing tube 31 opens.
  • flue gases 59a and that in FIG. 2 are not shown fuel, which through the openings 67 in the mixing zone 45 emerges mainly within of the mixing tube 31 takes place flameless oxidation.
  • the second Fuel lance 43 are closed so that none Flame formation in the pre-combustion chamber 29 occurs more. In this The normal operating state flows through the combustion air 51 Precombustion chamber 29 without getting fuel in it mix.
  • the mixing of fuel and Combustion air only takes place in the mixing zone 45 and in the mixing tube 31.
  • the nozzles 55 can also be used as Venturi or Laval nozzles be trained.
  • the one at the location of the highest air speed prevailing pressure is less than the gas pressure of a public gas network, which is about 18 to 22 mbar.
  • This Differential pressure can be exploited to the gas interfere.
  • the openings 67 are shifted in such a way that them directly in the nozzles 55 at the location of the highest Air velocity flow.
  • a direct Connection between the openings 67 and the openings 65 of the first fuel lance 41 are produced. That is, the Collection space 66 can be omitted.
  • Heat generator can be achieved.
  • burner 28 mixing tube 31 and heater 23 against the housing 37 or the base plate 39 of the housing braced.
  • the preload is made from a metallic one Bellows 71, which is on the one hand against the base plate 39 supports and on the other hand connected to the pre-combustion chamber 29 is upset.
  • the preload is over at the perimeter distributed spacer plates 73, of which only one in FIG. 2 is shown, transferred to the mixing tube.
  • the biasing force can also be added by a spring 74 be applied.
  • the burner is replaced by the Pressure difference between the environment and the interior of the burner braced.
  • a flange 75 is arranged, the first Biasing force from the mixing tube via the heater 23 to the Transmits housing 37 and on the other hand forces the flue gas 59 to flow through the heater 23.
  • the ignition device 53 will by a spring 77, which is located at one end on the base plate 39 and at the other end on a sleeve of the ignition device 53 supports, pressed against the pre-combustion chamber 29.
  • a Thermal insulation which is arranged in and around the burner not shown in Fig. 2 for reasons of clarity.
  • the Recirculation gap 61 is between 20 and 35 mm wide, the Length of the mixing tube is about 350 mm and the diameter of the mixing tube 31 is approximately 90 mm.
  • the flue gas 59 leaves the mixing tube 31 is approximately at a temperature of about 1,200 ° C to 1,400 ° C and is cooled by heat transfer in the heater 23 to approximately 850 0 Celsius.
  • the temperature of the working gas in the heater 23 is on average about 650 ° Celsius.
  • FIG. 3a, 3b and 3c is a block diagram of a heat generator according to the invention, which here in its Entire is designated by the reference numeral 83, and its gas supply, consisting of a starting gas line 85 and a main gas section 87.
  • Figures 3a-c differ only in the Control pressure supplies to the pressure regulator of the main gas ramp 87 shown. With everyone in the fig. 3a, 3b and 3c shown control pressure supplies is a modulating Operation of the heat generator 83 according to the invention possible. There are slight differences in terms of Modulation ability and other operating parameters as well as the Costs.
  • the starting gas line 85 into the second Fuel lance 43 opens and the main gas route 87 in the first fuel lance 41 opens.
  • the flue gas leaves the Heat generator 53 at the point indicated by arrow 59.
  • the combustion air, which is indicated by the arrow 51 in FIG. 3 is indicated, the heat generator 83 by a fan 89 fed.
  • a control unit 91 is used to control the Heat generator 83 and to control a Monitoring module 93.
  • the starting gas line 85 and the Main gas route 87 are from the monitoring module 93 driven.
  • the heat generator 83 If the heat generator 83 is to be put into operation, gives the control unit 91 a corresponding signal to the Monitoring module 93 further, which thereupon the Starting gas line 85 turns on. Signal connections are in 3a - c indicated by dashed lines.
  • the Starting gas route 85 consists of two series connected Main valves with which the gas supply to the second Fuel lance 43 can be switched on or off. A pressure regulator is then provided.
  • the pressure regulator can be used as a constant pressure regulator or as a ratio pressure regulator be executed. Depending on the version of the pressure regulator, a adjustable throttle of the starting gas line.
  • the pressure regulator of the start gas ramp 85 is connected to the outlet of the blower 89 via a first control line 95. This means that the pressure of the combustion air downstream of the blower 89 is used as the control pressure for the pressure regulator of the starting gas line.
  • the second fuel lance is ignited and the combustion is monitored via a conventional automatic burner control integrated in the monitoring module 93.
  • the starting gas ramp 85 can also be designed as a so-called compact fitting.
  • the main gas ramp 87 is constructed in the same way as the start gas ramp, namely it consists of two main valves, a pressure regulator and optionally a throttle.
  • the pressure regulator can be designed as a constant pressure regulator or ratio pressure regulator.
  • Fig. 3a is the control pressure of the pressure control valve Main gas ramp 87 the pressure in the start gas ramp 85 downstream of the main valves. If the Main gas ramp 87 is in operation, the main valves are the Start gas ramp 85 closed, so that the downstream Main valves in the start gas ramp 85 the same pressure as in the second fuel lance 43 and in the pre-combustion chamber 29 prevails (see also Fig. 2). Because the temperatures of the Start gas ramp 85 where the control pressure for the pressure regulator the main gas ramp via a second control line 97 is significantly lower than in the pre-combustion chamber 29 the detection of the pressure of the start gas ramp 85 easier and more reliable than when the pressure is directly in the Pre-combustion chamber 29 would be removed.
  • Fig. 3b an alternative is shown in which the Control pressure of the main gas ramp 87 via a third Control line 99 and the first control line 95 downstream of the blower 89 is detected.
  • third control line 99 did not require a high one Exposed to temperatures. Still is a modulating Operation possible without further notice, the Modulation range compared to the exemplary embodiment according to FIG. 3a is somewhat restricted.
  • 3c shows a third alternative in which a fourth control line 101 controls the pressure in the combustion chamber 30 (see 2) of the heat generator 83 is detected. This pressure serves as the control pressure of the main gas ramp 87. Also in this The embodiment is a modulating firing mode without further ado possible.
  • Adapting the requested heat output is a on the heater second temperature sensor 103 arranged.
  • the output signal of the second temperature sensor 103 is sent to the control unit 91 forwarded. If the from the second temperature sensor 103 detected temperature rises, it means that from the heater 23 less heat is removed, so that the control unit 91 can reduce the speed of the fan 89 so that the Combustion air volume is reduced. Alternatively, too a throttle valve to be closed a little further to the from Blower 89 in the heat generator 83 delivered amount of air reduce.
  • the throttle valve is not in Fig. 3a, 3b and 3c shown.

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Abstract

Es wird ein Brenner (28) mit einem Brennraum (30) für einen Stirlingmotor vorgeschlagen, welcher mit einer flammlosen Oxidation arbeitet, so dass die Bildung von thermischen Stickoxiden unterdrückt wird. Dadurch kann der Anteil von Stickoxiden im Abgas auf Werte von etwa 10 mg/m<3> gesenkt werden. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeerzeuger für einen Stirlingmotor mit einem Brenner, mit einer Brennkammer, mit einer Brennstoffzuführung, mit einer Verbrennungsluftzuführung und mit einem Erhitzer, wobei der Erhitzer und die Brennkammer mittels eines Mantelrohrs und eines Gehäuses gegen die Umgebung abgedichtet sind. Dieser aus dem Buch "Stirlingmaschinentechnik, C. F. Müller Verlag Heidelberg, ISBN 3-7880-7583-X" auf den Seiten 192 bis 194 beschriebene Wärmeerzeuger dient dazu, die zum Antrieb des Stirlingmotors erforderliche thermische Energie auf den Erhitzer zu übertragen. Dabei wird eine Rezirkulation der Rauchgase eingesetzt, um den Anteil der Stickoxide im Rauchgas zu verringern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeerzeuger für einen Stirlingmotor bereitzustellen, bei dem die Abgaswerte über einen weiten Lastbereich weiter verbessert sind und insbesondere die Stickoxide im Rauchgas weiter reduziert werden. Dadurch soll auf eine Rauchgasreinigung bspw. durch einen Katalysator, verzichtet werden können. Außerdem muss der Wärmeerzeuger sehr kompakt bauen.
Diese Aufgabe wird bei einem Wärmeerzeuger für einen Stirlingmotor mit einem Brenner, mit einer Brennkammer, mit einer Brennstoffzuführung, mit einer Verbrennungsluftzuführung und mit einem Erhitzer, wobei der Erhitzer und die Brennkammer mittels eines Mantelrohrs und eines Gehäuses gegen die Umgebung abgedichtet sind, dadurch gelöst, dass zwischen Brenner und Erhitzer ein Mischrohr angeordnet ist, dass zwischen auslassseitigem Ende des Brenners und brennerseitigem Ende des Mischrohrs ein Rezirkulationsspalt vorhanden ist, dass die Brennstoffzuführung eine erste Brennstofflanze aufweist, und dass die erste Brennstofflanze mindestens mittelbar in eine vom Rezirkulationsspalt, Brenner und Mischrohr begrenzte Vermischungszone mündet erfindungsgemäß gelöst durch einen Wärmeerzeuger für einen Stirlingmotor mit einer mindestens einen Auslass aufweisenden Brennkammer, mit einer Brennstoffzuführung, mit einer Verbrennungsluftzuführung, und mit einem Erhitzer, wobei der Erhitzer und die Brennkammer mittels eines Mantelrohres und eines Gehäuses gegen die Umgebung abgedichtet sind und wobei zwischen Brennkammer und Erhitzer ein Mischrohr angeordnet ist und zwischen auslassseitigem Ende der Brennkammer und Brennerseitigem Ende des Mischrohrs ein Rezirkulationsspalt vorhanden ist und wobei die Brennstoffzuführung eine erste Brennstofflanze aufweist, die in den vom Rezirkulationsspalt, Brennkammer und Mischrohr begrenzten Raum mündet.
Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeerzeuger ist es möglich, eine überwiegend flammlose Oxidation des Brennstoffs herbeizuführen, die zu drastischen Absenkungen des Stickoxidanteils in den Rauchgasen führt. So ist es möglich gewesen, mit einem erfindungsgemäßen Wärmeerzeuger die Emissionen von NOx auf 10 mg/m3, von CO auf 20 mg/m3 und die Emissionen an Kohlenwasserstoffen oder Ruß unter die Nachweisgrenze zu drücken. Dies alles ist ohne Nachbehandlung der Rauchgase möglich, so dass der mit dem erfindungsgemäßen Wärmeerzeuger ausgerüstete Stirlingmotor wirtschaftlich und trotzdem umweltschonend betrieben werden kann. Der erfindungsgemäße Wärmeerzeuger ermöglicht eine Leistungsmodulation von etwa 1:3,5.
Bei der erfindungsgemäßen überwiegend flammlosen Oxidation wird die Verbrennungsluft auf über 600°C aufgewärmt und eine große Menge Rauchgas rezirkuliert, so dass die auftretenden Temperaturen trotz der Luftvorwärmung deutlich geringer sind als bei einer Verbrennung mit Flammenbildung. Aus diesem Grund wird die Bildung von thermischen Stickoxiden unterdrückt.
Außerdem ist der erfindungsgemäße Wärmeerzeuger einfach aufgebaut, so dass die Kosten zur Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmeerzeugers nur unwesentlich über denen eines Wärmeerzeugers nach dem Stand der Technik liegen.
Alternativ kann auch eine Brennstoffeinmischung in die Frischluft oder eine Vorkammereinmischung vorgenommen werden.
In weiterer Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffführung eine zweite Brennstofflanze aufweist, dass die zweite Brennstofflanze in die Vorbrennkammer mündet, und dass in der Vorbrennkammer eine Zündeinrichtung vorgesehen ist, so dass eine automatische Inbetriebnahme des Wärmeerzeugers ohne Weiteres möglich ist. Dazu wird nur die zweite Brennstofflanze geöffnet und das in der Vorbrennkammer entstehende zündfähige Gemisch durch die Zündeinrichtung entzündet. Die darauf folgende Verbrennung mit Flammenbildung wird zum Aufheizen des Brenners, des Mischrohrs und des Erhitzers sowie des Luftvorwärmers verwandt. Sobald die Temperatur der rezirkulierten Rauchgase ausreichend hoch ist, um die Reaktion des Brennstoffs mit der Verbrennungsluft aufrechterhalten zu können, wird die erste Brennstofflanze geöffnet, so dass die flammlose Oxidation in dem Raum zwischen Brennstoffkammer und Mischrohr beginnen kann. Anschließend oder gleichzeitig an das Öffnen der ersten Brennstofflanze wird die zweite Brennstofflanze geschlossen, so dass keine Flammenbildung innerhalb des Brenners mehr vorhanden ist.
Zur weiteren Vereinfachung der Herstellung und zur Erzielung einer kompakten Bauweise kann vorgesehen sein, die erste Brennstofflanze und die zweite Brennstofflanze koaxial zueinander auszuführen.
Um die beim Betrieb und beim Anfahren des Wärmeerzeugers auftretenden Wärmespannungen konstruktiv in den Griff zu bekommen, ist bei verschiedenen erfindungsgemäßen Weiterbildungen vorgesehen, dass das Mischrohr an seinem Außendurchmesser einen Flansch aufweist, und dass es zwischen dem Erhitzer und dem Gehäuse des Brenners eingespannt ist, und/oder dass die Vorbrennkammer und das Mischrohr gegeneinander verspannt sind und/oder dass Brennkammermischrohr und Erhitzer gegen das Gehäuse verspannt sind. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn zwischen Brennkammer und Gehäuse ein Faltenbalg und/oder eine Feder vorgesehen sind, welche die Verspannung bewirken. Bei diesen Ausführungsbeispielen hat sich im Betrieb des Wärmeerzeugers gezeigt, dass keine unzulässigen thermischen Spannungen an der Brennkammer, dem Mischrohr und dem Erhitzer auftreten, und dass die Funktionsfähigkeit des Wärmeerzeugers auch nach einer großen Betriebsdauer uneingeschränkt vorhanden ist. Außerdem bewirkt die Verspannung des Erhitzers zwischen Flansch und Gehäuse, dass das Rauchgas vollständig durch den Erhitzer strömt und somit eine gute Wärmeübertragung erzielt wird. Schließlich wird bei korrekter Vorspannung die Zerstörung der wärmebelasteten Bauteile, wie z. B. den Erhitzer, durch Mikroreibung verhindert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die Brennstoffzuführung mit einer Grundplatte des Gehäuses fest verbunden und in Richtung der Wärmedehnung relativ zur Brennkammer verschiebbar ist, so dass auch hier keine unzulässigen thermischen Spannungen auftreten können. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Brennstoffzuführung fest mit der Brennkammer zu verbinden und in Richtung der Wärmedehnung relativ zur Grundplatte verschiebbar auszubilden.
Ebenfalls zur Vermeidung von unzulässigen thermischen Spannungen, Abrieb durch Mikroreibung und Schwingungsschäden kann vorgesehen sein, die Zündeinrichtung federbelastet in Richtung der Wärmedehnung gegen die Vorbrennkammer zu pressen.
Bei Systemen, die vertikal angeordnet sind, kann die Kompensation der Wärmedehnungen auch mit Gewichten erfolgen. Diese Gewichte drücken sämtliche Einbauten gegen den unten liegenden Erhitzer.
Auch eine im Wärmeerzeuger ohnehin vorhandene Druckdifferenz kann zur Kompensation der Wärmedehnungen ausgenutzt werden. Dazu wird der Brenner in Längsrichtung verschiebbar in der Brennkammer -eingebaut. Durch die Druckdifferenz zwischen Lufteinlaß und Brennkammer wirkt der Brenner wie ein Kolben und presst die Einbauten gegen den Erhitzer. Dadurch wird bei dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Anpresskraft von etwa 30N erreicht.
Zur Durchführung einer überwiegend flammlosen Oxidation und weiteren Erhöhung des Brennerwirkungsgrades kann ein Rekuperator oder ein Regenerator zur Vorwärmung der Verbrennungsluft mit den Rauchgasen vorgesehen sein.
Insbesondere ergibt sich eine platzsparende und effiziente Ausgestaltung des Rekuperators oder des Regenerators, wenn dieser konzentrisch zur Brennkammer angeordnet ist, der Rekuperator oder der Regenerator sich von der Grundplatte bis zum Rezirkulationsspalt erstreckt und wenn der Rekuperator oder der Regenerator in radialer Richtung von einem inneren Hüllrohr und einem äußeren Hüllrohr begrenzt wird. Innerhalb des Rekuperators sind Trennwände vorgesehen, welche eine Vermischung der Rauchgase mit der Verbrennungsluft verhindern und trotzdem einen guten Wärmeübergang vom Rauchgas auf die Verbrennungsluft gewährleisten. Dabei sind an und für sich alle aus dem Stand der Technik bekannten Bauarten von Rekuperatoren beim erfindungsgemäßen Wärmeerzeuger einsetzbar.
Insbesondere hat es sich auch als vorteilhaft erwiesen, wenn der Rekuperator aus einem metallischen Werkstoff besteht.
Im praktischen Betrieb hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Mischrohr eine Länge von 2,5 x Durchmesser Mischrohr bis 8 x Durchmesser Mischrohr , insbesondere von 3,6 x Durchmesser Mischrohr und eine Querschnittsfläche von 70 mm2/kWth bis 400 mm2/kWth, insbesondere 160 mm2/kWth, aufweist.
In weiterer Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Rezirkulationsspalt eine Fläche von 200 mm2/kWth bis 600 mm2/kWth, insbesondere 275 mm2/kWth, aufweist.
Diese Abmessungen haben sich bei einem einfach wirkenden 90°-V2-Stirlingmotor mit einem Arbeitsvolumen von 160 cm3 und einer Wellenleistung von 3 bis 10 kW bei n = 1.500/min als besonders günstig erwiesen. Die thermische Leistung des Brenners beträgt dabei 40 kWthermisch. Für andere Leistungsklassen sind die Abmessungen entsprechend anzupassen.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass die Verbrennungsluftzuführung über eine oder mehrere in die Vermischungszone gerichtete Düsen erfolgt, und/oder dass die erste Brennstofflanze Brennstoff über Öffnungen in die Vermischungszone einbringt. So dass eine gute Vermischung von Verbrennungsluft und Brennstoff vor der flammlosen Oxidation erfolgt, was zu einem verbesserten Betriebsverhalten führt. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Öffnungen eine Querschnittsfläche von in der Summe 7,5 mm2/kWth bis 30 mm2/kWth, insbesondere 17 mm2/kWth, aufweisen.
Weitere Verbesserungen hinsichtlich Betriebsverhalten und Einsatzbereich des Wärmeerzeugers ergeben sich, wenn die Düsen als Venturi- oder Laval-Düsen ausgebildet sind und die erste Brennstofflanze den Brennstoff in die Düsen einbringt.
In weiterer Ergänzung des erfindungsgemäßen Wärmeerzeugers kann vorgesehen sein, dass die Düsen mit der Längsachse des Wärmeerzeugers einen Winkel zwischen 20° und 30°, insbesondere 25°, einschließen.
Das Betriebsverhalten des erfindungsgemäßen Wärmeerzeugers in der Startphase ohne flammlose Oxidation wird verbessert, wenn der Brennstoff aus der zweiten Brennstofflanze über eine Verteilkammer und eine Lochblende in die Vorbrennkammer strömen kann, und/oder die Düsen mit ihrem der Vermischungszone abgewandten Ende in die Vorbrennkammer ragen.
Der erfindungsgemäße Wärmeerzeuger kann vorteilhafterweise mit einem Verfahren, welches aus folgenden Verfahrensschritten besteht, betrieben werden:
  • Erfassen der Temperatur des Erhitzers,
  • Erfassen des Drucks der vorgewärmten Verbrennungsluft, Regeln der Verbrennungsluftmenge in Abhängigkeit der Temperatur des Erhitzers und
  • Regeln der Gasmenge in Abhängigkeit des Drucks der vorgewärmten Verbrennungsluft.
Durch dieses Verfahren ist es auf einfache Weise möglich, die Wärmeleistung des Wärmeerzeugers der nachgefragten Wärmeleistung modulierend anzupassen. Wenn am Erhitzer weniger Wärme abgenommen wird, steigt dessen Temperatur, so dass die Verbrennungsluftmenge reduziert werden kann. Infolgedessen sinkt auch der Druck der vorgewärmten Verbrennungsluft und die Gasmenge wird in Abhängigkeit des Drucks der vorgewärmten Verbrennungsluft heruntergeregelt. Bislang ist es lediglich bekannt, eine flammlose Oxidation bei konstanter Last durchzuführen und eine Leistungsanpassung durch eine taktende Betriebsweise des Wärmeerzeugers herzustellen. Wenn der erfindungsgemäße Wärmeerzeuger nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird, können die eingangs genannten Vorzüge hinsichtlich Emissions- und Verbrauchsverhalten auch bei unterschiedlichen Lastzuständen des Stirlingmotors nahezu unverändert aufrechterhalten werden.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Druck der Verbrennungsluft in der Vorbrennkammer oder im Brennraum erfasst wird.
Der erfindungsgemäße Wärmeerzeuger kann auch modulierend betrieben werden, wenn die Temperatur des Erhitzers erfasst wird, der Druck der Verbrennungsluft in Strömungsrichtung nach einem Verbrennungsluftgebläse erfasst wird, die Verbrennungsluftmenge in Abhängigkeit der Temperatur des Erhitzers geregelt wird und die Gasmenge in Abhängigkeit des Drucks der Verbrennungsluft mit einem Gleichdruckregler geregelt wird. Dieses Verfahren lässt eine nahezu gleich gute Modulation der Leistung des Wärmeerzeugers zu.
In weiterer Ergänzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Gasmenge durch einen Verhältnisdruckregler oder einen Gleichdruckregler geregelt wird, wobei es besonders vorteilhaft ist, wenn zusätzlich die Nullpunktverschiebung und/oder die Verstärkung des Verhältnisdruckreglers einstellbar sind.
Die Verbrennungsluftmenge kann durch Ändern der Drehzahl eines Gebläses oder durch Ändern der Stellung einer Drosselklappe in der Verbrennungsluftzufuhr geregelt werden.
Zur Überwachung der überwiegend flammlosen Oxidation ist es von Vorteil, wenn die Temperatur durch mindestens einen Temperaturfühler, besonders bevorzugt durch zwei Temperaturfühler, überwacht wird.
Wenn der Druck in der Vorbrennkammer als Steuerdruck für die Gasregelung eingesetzt wird, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Druck in der Vorbrennkammer durch eine Messung des Drucks in der zweiten Brennstofflanze erfasst wird, da in der Vorbrennkammer der gleiche Druck wie in der zweiten Brennstofflanze herrscht, die Temperaturen in der abgeschalteten zweiten Brennstofflanze jedoch deutlich niedriger als in der Vorbrennkammer sind.
Die Inbetriebnahme des erfindungsgemäßen Wärmeerzeugers erfolgt dadurch, dass der Wärmeerzeuger durch die zweite Brennstofflanze auf Betriebstemperatur gebracht wird, wobei die Verbrennung in der zweiten Brennstofflanze durch einen an sich bekannten Feuerungsautomaten überwacht wird. Der Übergang auf die flammlose Oxidation erfolgt, sobald der Wärmeerzeuger seine Betriebstemperatur erreicht hat. Dann wird die zweite Brennstofflanze abgeschaltet und die erste Brennstofflanze eingeschaltet, so dass sich eine überwiegend flammlose Oxidation ausbilden kann.
Der erfindungsgemäße Wärmeerzeuger kann vorteilhafterweise mit den in den Ansprüche 27 bis 38 beanspruchten Verfahren betrieben werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung dargestellt und beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1
einen Querschnitt durch einen 90°-V2-Stirlingmotor, der mit einem erfindungsgemäßen Wärmeerzeuger ausgerüstet ist,
Figur 2
einen Teillängsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmeerzeuger und
Fig. 3a-c
ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Wärmeerzeugers inklusive Gas und Verbrennungsluftversorgung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der Stirlingmotor weist ein Kurbelgehäuse 1 auf, in dem eine Kurbelwelle 3 drehbar gelagert ist. An einem Hubzapfen 5 der Kurbelwelle 3 sind ein erstes Pleuel 7 und ein zweites Pleuel 9 drehbar gelagert. Das erste Pleuel 7 ist über einen ersten Kreuzkopf 10 und eine erste Kolbenstange 11 mit einem Verdichtungskolben 12 verbunden. Das zweite Pleuel 9 ist über einen zweiten Kreuzkopf 13 und eine zweite Kolbenstange 14 mit einem Arbeitskolben 15 verbunden. Die konstruktive Ausgestaltung von Verdichtungskolben 12 und Arbeitskolben 15 ist im Zusammenhang mit Fig. 1 nicht von Bedeutung und wird deshalb an dieser Stelle nicht näher erläutert. Der Verdichtungskolben 12 läuft in einem Verdichtungszylinder 16, während der Arbeitskolben 15 in einem Arbeitszylinder 17 läuft. Die Kurbelwelle 3 und der Hubzapfen 5 sind ölgeschmiert, während der Verdichtungskolben 12 und der Arbeitskolben 15 trocken im Verdichtungszylinder 16 bzw. im Arbeitszylinder 17 laufen.
Zwischen dem Verdichtungszylinder 16 und dem Arbeitszylinder 17 kann das Arbeitsgas hin- und hergeschoben werden. Dabei nimmt das in Fig. 1 nicht dargestellte Arbeitsgas beim Verschieben aus dem Verdichtungszylinder 16 in den Arbeitszylinder 17 Wärme aus einem Regenerator 21 auf und erwärmt sich dabei auf etwa 650° Celsius. Der Regenerator 21 besteht im Allgemeinen aus einem Paket von Drahtsieben, die in Fig. 1 nicht im Einzelnen dargestellt sind. Anschließend wird das Arbeitsgas in einem Erhitzer 23, der bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 aus berippten Röhrchen zusammengesetzt ist, auf etwa 650° Celsius erwärmt. Diese Erwärmung erfolgt durch Wärmeübertragung von einem in Fig. 1 nicht dargestellten Brenner über den Erhitzer 23 auf das Arbeitsgas. Gleichzeitig erfolgt eine annähernd isotherme Expansion des Arbeitsgases im Arbeitszylinder 17, wodurch mechanische Arbeit vom Arbeitsgas auf den Arbeitskolben 15 übertragen wird. Anschließend wird das Arbeitsgas vom Arbeitszylinder 17 in den Verdichtungszylinder 16 zurückgeschoben, wobei das Arbeitsgas Wärme an den Regenerator 21 überträgt und anschließend von einem Arbeitsgaskühler 25 abgekühlt wird.
Als Wärmequelle kann bei einem Stirlingmotor prinzipiell jede Wärmequelle mit ausreichendem Temperaturniveau herangezogen werden, bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird ein Brenner eingesetzt (nicht dargestellt), der einen gasförmigen oder flüssigen Brennstoff verbrennen kann. Der sogenannte Hochtemperaturbereich des Stirlingmotors ist durch eine Wärmedämmung 27 gegen Wärmeverluste geschützt.
In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßer Wärmeerzeuger mit einem Brenner 28 mit einer Vorbrennkammer 29 im Teillängsschnitt dargestellt. An den Brenner 28 schließt ein Brennraum 30 mit einem Mischrohr 31 und dem Erhitzer 23 an. Im Erhitzer 23 wird die Wärme der Rauchgase 59 auf das nicht dargestellte Arbeitsgas des Stirlingmotors übertragen. -Der Brennstoff wird über eine Brennstoffzufuhr 33 zugeführt. Nach außen werden Brenner 28 und Brennraum 30 von einem Mantelrohr 35 und einem nur teilweise dargestellten Gehäuse 37 mit einer Grundplatte 39 begrenzt. Der Brenner 28 ist längsverschiebbar an der Grundplatte 39 befestigt.
Die Brennstoffzufuhr 33 besteht aus einer ersten Brennstofflanze 41 und einer koaxial dazu angeordneten zweiten Brennstofflanze 43. Die erste Brennstofflanze 41 mündet außerhalb der Vorbrennkammer 29 in einer Vermischungszone 45, die einerseits von der Vorbrennkammer 29 und andererseits von einem Abdeckblech 46 begrenzt wird.
Die zweite Brennstofflanze 43 mündet über mehrere Auslassöffnungen 47 in einer Verteilkammer 48. Durch eine Lochblende 49 ist die Verteilkammer 48 von der eigentlichen Vorbrennkammer 29 abgetrennt. Die Verbrennungsluft, welche in Fig. 2 durch die Pfeile 51 angedeutet ist, strömt ebenfalls in die Vorbrennkammer 29. Der Brennstoff mischt sich nach dem Durchströmen der Lochblende 49 mit der Verbrennungsluft zu einem zündfähigen Gemisch. Durch eine Zündeinrichtung 53 kann dieses zündfähige Gemisch entzündet werden und verbrennt in der Vorbrennkammer 29 unter Bildung einer Flamme. Das Rauchgas strömt über Düsen 55 aus der Vorbrennkammer 29, wie dies durch Pfeile 57 angedeutet ist, in die Vermischungszone 45 und das Mischrohr 31. Nach dem Durchströmen des Mischrohrs 31 werden die Rauchgase, welche durch die mit dem Bezugszeichen 59 versehenen Pfeile angedeutet sind, durch den Erhitzer 23 geführt, nachdem sie zuvor vom Gehäuse 37 umgelenkt worden sind.
Wenn die Rauchgase 59 einen Rezirkulationsspalt 61, der durch den axialen Abstand der Vorbrennkammer 29, bzw. des Brenners 28 und des brennerseitigen Endes 69 des Mischrohrs 31 gebildet wird, passieren, wird ein Teil der Rauchgase 59a in das Mischrohr 31 angesaugt und somit rezirkuliert. Der andere Teil der Rauchgase 59b strömt im Gegenstrom zu der Verbrennungsluft 51 durch einen Rekuperator 63.
Sobald das Rauchgas an den Messstellen 64 eine ausreichend hohe Temperatur hat, um eine stabile Reaktion zu ermöglichen, wird die erste Brennstofflanze 41 geöffnet, welche über Öffnungen 65, einen Sammelraum 66 und Öffnungen 67 in die Vermischungszone 45 zwischen Vorbrennkammer 29 und Mischrohr 31 mündet. Bei geeigneter Wahl des Verhältnisses von Verbrennungsluft 51, Rauchgasen 59a und dem in Fig. 2 nicht dargestellten Brennstoff, welcher durch die Öffnungen 67 in die Vermischungszone 45 austritt, findet vor allem innerhalb des Mischrohrs 31 eine flammlose Oxidation statt. Sobald diese flammlose Oxidation stabil abläuft, kann die zweite Brennstofflanze 43 geschlossen werden, so dass keine Flammbildung in der Vorbrennkammer 29 mehr erfolgt. In diesem Normalbetriebszustand durchströmt die Verbrennungsluft 51 die Vorbrennkammer 29, ohne sich in dieser mit Brennstoff zu vermischen. Die Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft erfolgt erst in der Vermischungszone 45 sowie im Mischrohr 31.
Das Phänomen der flammlosen Oxidation ist an sich bekannt und wird bspw. im Industrieofenbau mit großem Erfolg angewandt. Eine Beschreibung der flammlosen Oxidation befindet sich in der EP 0 463 218 B1, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird. Die in dieser Patentschrift gemachten Ausführungen gehören ebenfalls zu der Offenbarung des erfindungsgemäßen Brenners für Stirlingmotoren. Zur Ausbildung einer stabilen flammlosen Oxidation hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Düsen 55 unter einem Winkel von etwa 20° bis 30° auf die Längsachse des Brenners gerichtet sind und die Öffnungen 67, durch die der Brennstoff in die Vermischungszone 45 eintritt, etwa rechtwinklig zu den Düsen 55 ausgerichtet sind. Außerdem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Mischrohr 31 an seinem dem Brenner 28 zugewandten Ende 69 konisch ausgebildet ist.
Alternativ zu dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel können die Düsen 55 auch als Venturi- oder Laval-Düsen ausgebildet sein. Der am Ort der höchsten Luftgeschwindigkeit herrschende Druck ist geringer als der Gasdruck eines öffentlichen Gasnetz, der etwa 18 bis 22 mbar beträgt. Diese Druckdifferenz kann ausgenutzt werden, um das Gas einzumischen. Dazu werden die Öffnungen 67 so verlagert, dass sie direkt in den Düsen 55 am Ort der höchsten Luftgeschwindigkeit münden. Außerdem muss eine direkte Verbindung zwischen den Öffnungen 67 und den Öffnungen 65 der ersten Brennstofflanze 41 hergestellt werden. D. h. der Sammelraum 66 kann entfallen. Mit diesem Ausführungsbeispiel kann auch bei geringen Gasdrücken die volle Leistung des Wärmeerzeugers erreicht werden.
Um die thermischen Verspannungen, welche sich bei der Inbetriebnahme und dem Betrieb des Brenners ergeben, zu minimieren, sind Brenner 28, Mischrohr 31 und Erhitzer 23 gegen das Gehäuse 37 bzw. die Grundplatte 39 des Gehäuses verspannt. Dabei wird die Vorspannkraft von einem metallischen Faltenbalg 71, der sich einerseits gegen die Grundplatte 39 abstützt und andererseits mit der Vorbrennkammer 29 verbunden ist, aufgebracht. Die Vorspannung wird über am Umfang verteilte Distanzbleche 73, von denen in Fig. 2 nur eines dargestellt ist, auf das Mischrohr übertragen. Alternativ oder additiv kann die Vorspannkraft auch von einer Feder 74 aufgebracht werden. Zusätzlich wird der Brenner durch den Druckunterschied zwischen Umgebung und Brennerinnenraum verspannt.
Weitere erfindungsgemäße Varianten der Kompensation der Wärmedehnungen sind wie folgt aufgebaut:
  • 1.) Die zweite Brennstofflanze 43 ist in einem Halteblech 79 eingeschraubt. Die zweite Brennstofflanze 43 zentriert die Feder 74. Die Feder 74 stützt sich auf dem Halteblech 79 ab und schiebt über den Rekuperator 63, an dem das Halteblech 79 befestigt ist, den gesamten Brenner 28 gegen die folgenden Einbauten.
  • 2.) Die zweite Brennstofflanze weist eine Nut mit Sicherungsring auf (nicht dargestellt). Die Feder 74 wird zwischen Sicherungsring und Grundplatte 39 um die zweite Brennstofflanze herum eingebaut und schiebt diese in Richtung Brenner 30. Dazu wird der in Fig. 2 dargestellte Kegel 81 der zweiten Brennstofflanze 43 so weit verlängert, bis er an dem Drehteil 80 anliegt. Dort werden nun zwei Aufgaben erfüllt: Zum einen wird die Federkraft eingeleitet und über das Abdeckblech 46 an die Einbauten weitergegeben und der Brenner 28 hinterhergezogen. Zum anderen wird der Sammelraum 66 über einen Kegelsitz abgedichtet. Diese Abdichtung des Sammelraums 66 ist von besonderer Bedeutung, wenn die Düsen 55 als Venturi- oder Lavaldüsen ausgebildet sind. Die Distanzbleche 73 schließen den Kraftfluß und sind ihrerseits wieder an beiden Enden mit konischen Ringen (nicht dargstellt) verschweißt, die genau in den Brenner 28 und das Ende 69 des Mischrohrs 31 passen, so dass eine Selbstzentrierung erreicht wird.Die Wärmedehnungen der Brennkammerinnenwand werden in ihr selbst durch Überlappungen aufgefangen. Kritische thermische Dehnungen entstehen bei der Erwärmung aller Teile, die zentral in der Brennkammer angeordnet sind: Die Endplatte 37, der Erhitzer 23, das Mischrohr 31 ab der Anlagefläche 75, der Zentrierring 73 und schließlich der Brenner 28 selbst. All diese Dehnungen summieren sich und werden durch eine Relativbewegung des Brenners 28 zum Brennraum 30 aufgefangen. Die Feder 74 oder der Faltenbalg 71 haben nun die Aufgabe sicherzustellen, dass zu jedem Zeitpunkt alle Einbauten fest aneinander anliegen. Der Brenner 28 kann sich zu diesem Zweck auch relativ zu der Grundplatte 39 bewegen. Zur Gasdichtigkeit sind an allen bewegten Stellen Dichtungen vorgesehen.
  • 3.) Bei vertikal angeordneten Wärmeerzeugern kann die Kompensation der Wärmedehnungen auch durch die Gewichtskraft erfolgen. Dabei kann das Eigengewicht des Wärmeerzeugers und/oder Gewichte dazu benutzt werden, um sämtliche Einbauten gegen den unten liegenden Erhitzer zu drücken.
  • 4.) Auch eine im Wärmeerzeuger ohnehin vorhandene Druckdifferenz kann zur Kompensation der Wärmedehnungen ausgenutzt werden: Dazu wird der Brenner in Längsrichtung verschiebbar in der Brennkammer -eingebaut. Durch die Druckdifferenz zwischen Lufteinlaß und Brennkammer wirkt der Brenner wie ein Kolben und presst die Einbauten gegen den Erhitzer. Dadurch wird bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Anpresskraft von etwa 30N erreicht.
    • Am Mischrohr 31 ist ein Flansch 75 angeordnet, der erstens die Vorspannkraft vom Mischrohr über den Erhitzer 23 auf das Gehäuse 37 überträgt und andererseits das Rauchgas 59 zwingt, durch den Erhitzer 23 zu strömen. Die Zündeinrichtung 53 wird von einer Feder 77, die sich einenends an der Grundplatte 39 und anderenends an einer Hülse der Zündeinrichtung 53 abstützt, gegen die Vorbrennkammer 29 gedrückt. Eine Wärmedämmung, welche in und um den Brenner angeordnet ist, ist in Fig. 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
    Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Rezirkulationsspalt 61 zwischen 20 und 35 mm breit ist, die Länge des Mischrohrs etwa 350 mm beträgt und der Durchmesser des Mischrohrs 31 etwa 90 mm beträgt. Bei diesen Abmessungen und geometrischen Verhältnissen haben sich eine besonders stabile flammlose Oxidation und sehr günstige Abgaswerte eingestellt, wenn der erfindungsgemäße Wärmeerzeuger an einem Stirlingmotor des Typs SOLO Stirling 161 eingesetzt wurde. Wenn der erfindungsgemäße Wärmeerzeuger bei anderen Stirlingmotoren eingesetzt werden soll, müssen die Abmessungen und Verhältnisse entsprechend übertragen werden.
    Das Rauchgas 59 verlässt das Mischrohr 31 etwa mit einer Temperatur von etwa 1.200° C bis 1.400° C und kühlt sich durch Wärmeabgabe im Erhitzer 23 auf etwa 8500 Celsius ab. Die Temperatur des Arbeitsgases im Erhitzer 23 beträgt im Mittel etwa 650° Celsius.
    In den Fig. 3a, 3b und 3c ist jeweils ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Wärmeerzeugers, der hier in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 83 bezeichnet wird, sowie dessen Gasversorgung, bestehend aus einer Startgasstrecke 85 und einer Hauptgasstrecke 87 dargestellt. Die Figuren 3a -c unterscheiden sich lediglich hinsichtlich der Steuerdruckversorgungen des Druckreglers der Hauptgasrampe 87 dargestellt. Mit jeder der in den Fign. 3a, 3b und 3c dargestellten Steuerdruckversorgungen ist eine modulierende Betriebsweise des erfindungsgemäßen Wärmeerzeugers 83 möglich. Es gibt geringfügige Unterschiede hinsichtlich der Modulationsfähigkeit und sonstiger Betriebsparameter sowie der Kosten.
    Zur Verdeutlichung der Übereinstimmungen des Wärmeerzeugers 83 aus Fig. 3 mit dem Wärmeerzeuger aus Fig. 2 wird darauf hingewiesen, dass die Startgasstrecke 85 in die zweite Brennstofflanze 43 mündet und die Hauptgasstrecke 87 in die erste Brennstofflanze 41 mündet. Das Rauchgas verlässt den Wärmeerzeuger 53 an der mit dem Pfeil 59 bezeichneten Stelle. Die Verbrennungsluft, welche in Fig. 3 durch den Pfeil 51 angedeutet wird, wird dem Wärmeerzeuger 83 durch ein Gebläse 89 zugeführt. Ein Steuergerät 91 dient zur Steuerung des Wärmeerzeugers 83 sowie zur Ansteuerung eines Überwachungsmoduls 93. Die Startgasstrecke 85 und die Hauptgasstrecke 87 werden vom Überwachungsmodul 93 angesteuert.
    Wenn der Wärmeerzeuger 83 in Betrieb genommen werden soll, gibt das Steuergerät 91 ein entsprechendes Signal an das Überwachungsmodul 93 weiter, welches daraufhin die Startgasstrecke 85 einschaltet. Signalverbindungen sind in Fig. 3a - c durch gestrichelte Linien angedeutet. Die Startgasstrecke 85 besteht aus zwei in Reihe geschalteten Hauptventilen, mit denen die Gaszufuhr zur zweiten Brennstofflanze 43 ein- oder ausgeschaltet werden kann. Anschließend ist ein Druckregler vorgesehen. Der Druckregler kann als Gleichdruckregler oder als Verhältnisdruckregler ausgeführt sein. Je nach Ausführung des Druckreglers kann eine einstellbare Drossel der Startgasstrecke vorhanden sein.
    Der Druckregler der Startgasrampe 85 ist bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 3a - c über eine erste Steuerleitung 95 mit dem Ausgang des Gebläses 89 verbunden. Dies bedeutet, dass als Steuerdruck für den Druckregler der Startgasstrecke der Druck der Verbrennungsluft stromabwärts des Gebläses 89 herangezogen wird. Über einen in das Überwachungsmodul 93 integrierten konventionellen Feuerungsautomaten wird die zweite Brennstofflanze gezündet und die Verbrennung überwacht. Die Startgasrampe 85 kann auch als sog. Kompaktarmatur ausgeführt sein. Wenn der Wärmeerzeuger 83 seine Betriebstemperatur erreicht hat, was durch zwei Temperaturfühler, in Fig. 3 als 641 und 642 bezeichnet, erreicht hat, gibt das Überwachungsmodul 93, welches die Signale der Temperaturfühler 641 und 642 empfängt, die Hauptgasrampe 87 frei und schaltet die Startgasrampe 85 ab. Die Hauptgasrampe 87 ist gleich aufgebaut wie die Startgasrampe, sie besteht nämlich aus zwei Hauptventilen, einem Druckregler und optional einer Drossel. Der Druckregler kann, wie bei der Startgasrampe 85 auch, als Gleichdruckregler oder Verhältnisdruckregler ausgeführt sein.
    In der Fig. 3a wird als Steuerdruck des Druckregelventils der Hauptgasrampe 87 der Druck in der Startgasrampe 85 stromabwärts der Hauptventile herangezogen wird. Wenn die Hauptgasrampe 87 in Betrieb ist, sind die Hauptventile der Startgasrampe 85 geschlossen, so dass stromabwärts der Hauptventile in der Startgasrampe 85 der gleiche Druck wie in der zweiten Brennstofflanze 43 und in der Vorbrennkammer 29 herrscht (Siehe dazu auch Fig. 2). Da die Temperaturen der Startgasrampe 85 dort wo der Steuerdruck für den Druckregler der Hauptgasrampe über eine zweite Steuerleitung 97 abgenommen wird, deutlich geringer als in der Vorbrennkammer 29 sind, ist die Erfassung des Drucks der Startgasrampe 85 einfacher und betriebssicherer als wenn der Druck direkt in der Vorbrennkammer 29 abgenommen würde.
    In Fig. 3b ist eine Alternative dargestellt, bei der der Steuerdruck der Hauptgasrampe 87 über eine dritte Steuerleitung 99 und die erste Steuerleitung 95 stromabwärts des Gebläses 89 erfasst wird. Auch bei dieser Variante ist die zusätzlich benötigte dritte Steuerleitung 99 keinen hohen Temperaturen ausgesetzt. Trotzdem ist eine modulierende Betriebsweise ohne Weiteres möglich, wobei der Modulationsbereich gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3a etwas eingeschränkt ist.
    In Fig. 3c ist eine dritte Alternative dargestellt, bei der eine vierte Steuerleitung 101 den Druck im Brennraum 30 (siehe dazu Fig. 2) des Wärmeerzeugers 83 erfasst. Dieser Druck dient als Steuerdruck der Hauptgasrampe 87. Auch bei dieser Ausführungsform ist eine modulierende Brennweise ohne Weiteres möglich.
    Um die Leistung des Wärmeerzeugers 83 der am Erhitzer 23 (siehe Fig. 2) von dem nicht dargestellten Stirlingmotor nachgefagten Wärmeleistung anzupassen, ist am Erhitzer ein zweiter Temperaturfühler 103 angeordnet. Das Ausgangssignal des zweiten Temperaturfühlers 103 wird an das Steuergerät 91 weitergeleitet. Wenn die vom zweiten Temperaturfühler 103 erfasste Temperatur ansteigt, bedeutet dies, dass vom Erhitzer 23 weniger Wärme abgenommen wird, so dass das Steuergerät 91 die Drehzahl des Gebläses 89 reduzieren kann, so dass die Verbrennungsluftmenge verringert wird. Alternativ kann auch eine Drosselklappe etwas weiter geschlossen werden, um die vom Gebläse 89 in den Wärmeerzeuger 83 geförderte Luftmenge zu verringern. Die Drosselklappe ist in Fig. 3a, 3b und 3c nicht dargestellt. Aufgrund der verringerten Verbrennungsluftmenge ändert sich der Druck in der zweiten Brennstofflanze 23 bzw. der Vorbrennkammer 29 (siehe Fig. 3a). Außerdem ändert sich der Druck stromabwärts des Gebläses 89 und es ändert sich auch der Druck im Brennraum 30 des Wärmeerzeugers 83. Aufgrund dieser Druckänderungen, die, wie bereits oben beschrieben, als Steuerdruckänderungen des Druckreglers der Hauptgasstrecke 87 dienen können, wird die Gaszufuhr über die Hauptgasstrecke 87 der geänderten Verbrennungsluftmenge angepasst.
    Je nach Auslegung des Druckreglers kann es hilfreich sein, stromabwärts des Druckreglers eine Drossel vorzusehen, um eine optimale Anpassung der Gasmenge an die Verbrennungsluftmenge in allen Betriebspunkten zu gewährleisten. Sobald das Überwachungsmodul 93 einen Fehler detektiert, werden die Hauptgasstrecke 87 und die Startgasstrecke 85 geschlossen, so dass kein unverbranntes Gas in die Umgebung gelangen kann und somit auch keine Explosionsgefahr besteht.
    Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen genannten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

    Claims (41)

    1. Modulationsfähiger Wärmeerzeuger mit überwiegend flammloser Oxidation für einen Stirlingmotor, mit einem Brenner (28), mit einer Brennkammer (30), mit einer Brennstoffzuführung (33), mit einer Verbrennungsluftzuführung und mit einem Erhitzer (23), wobei der Erhitzer (23) und die Brennkammer (30) mittels eines Mantelrohrs (35) und eines Gehäuses (37) gegen die Umgebung abgedichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Brenner (28) und Erhitzer (23) ein Mischrohr (31) angeordnet ist, dass zwischen auslassseitigem Ende des Brenners (28) und brennkammerseitigem Ende (69) des Mischrohrs (31) ein Rezirkulationsspalt (61) vorhanden ist, dass die Brennstoffzuführung (33) eine erste Brennstofflanze (41) aufweist, und dass die erste Brennstofflanze (41) mindestens mittelbar in eine vom Rezirkulationsspalt (61), Brenner (28) und Mischrohr (31) begrenzte Vermischungszone (45) mündet.
    2. Wärmeerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzuführung (33) eine zweite Brennstofflanze (43) aufweist, dass die zweite Brennstofflanze (43) mindestens mittelbar in eine Vorbrennkammer (29) des Brenners (28) mündet, und dass in der Vorbrennkammer (29) eine Zündeinrichtung (53) vorgesehen ist.
    3. Wärmeerzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Brennstofflanze (41) und die zweite Brennstofflanze (43) koaxial zueinander angeordnet sind.
    4. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischrohr (31) an seinem Außendurchmesser einen Flansch (75) aufweist, und dass der Erhitzer (23) zwischen dem Flansch (75) und dem Gehäuse (37) eingespannt ist.
    5. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (28) und das Mischrohr (31) gegeneinander verspannt sind.
    6. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Brenner (28), Mischrohr (31) und Erhitzer (23) gegen das Gehäuse (37) verspannt sind.
    7. Wärmeerzeuger nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Brenner (28) und Gehäuse (37) ein Faltenbalg (71) vorgesehen ist, und dass der Faltenbalg (71) die Verspannung bewirkt.
    8. Wärmeerzeuger nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Brenner (28) und Gehäuse (37) eine Feder (74) vorgesehen ist, und dass die Feder (74) die Verspannung bewirkt.
    9. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzuführung (33) mit einer Grundplatte (39) des Gehäuses (37) fest verbunden und in Richtung der Wärmedehnung relativ zum Brenner (28) verschiebbar ist.
    10. Wärmeerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzuführung (33) mit dem Brenner (28) fest verbunden und in Richtung der Wärmedehnung relativ zur Grundplatte (39) verschiebbar ist.
    11. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündeinrichtung (53) federbelastet in Richtung der Wärmedehnung gegen den Brenner (28) oder eine am Brenner (28) angeordnete Hülse gepresst wird.
    12. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsachse des Wärmeerzeugers vertikal angeordnet ist, und dass zur Kompensation der Wärmedehnungen die Gewichtskraft des Wärmeerzeugers ausgenutzt wird.
    13. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner in Längsrichtung verschiebbar in der Brennkammer eingebaut wird.
    14. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rekuperator (63) oder ein Regenerator zur Vorwärmung der Verbrennungsluft (51) mit den Rauchgasen vorgesehen ist.
    15. Wärmeerzeuger nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekuperator (63) oder der Regenerator konzentrisch zum Brenner (28) angeordnet ist, dass der Rekuperator (63) sich von der Grundplatte (39) bis zum Rezirkulationspalt (61) erstreckt, und dass der Rekuperator (63) in radialer Richtung von einem inneren Hüllrohr und einem äußeren Hüllrohr begrenzt wird.
    16. Wärmeerzeuger nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekuperator (63) oder der Regenerator aus einem metallischem Werkstoff besteht.
    17. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischrohr (31) eine Länge von 2,5 x Durchmesser Mischrohr bis 8 x Durchmesser Mischrohr , insbesondere von 3,6 x Durchmesser Mischrohr aufweist.
    18. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischrohr (31) eine Querschnittsfläche von 970 mm2/kWth bis 400 mm2/kWth, insbesondere 160 mm2/kWth, aufweist.
    19. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationsspalt (61) eine Fläche von 200 mm2/kWth bis 600 mm2/kWth, insbesondere 275 mm2/kWth, aufweist.
    20. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluftzuführung über eine oder mehrere in die Vermischungszone (45) gerichtete Düsen (55) erfolgt.
    21. Wärmeerzeuger nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Brennstofflanze (41) Brennstoff über Öffnungen (65, 67) in die Vermischungszone (45) einbringt.
    22. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (65, 67) eine Querschnittsfläche von in der Summe 0,7 mm2/kWth bis 3,5 mm2/kWth, insbesondere 2,5 mm2/kWth, aufweisen.
    23. Wärmeerzeuger nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (55) als Venturi- oder Laval-Düsen ausgebildet sind, und dass die erste Brennstofflanze (41) den Brennstoff in die Düsen (55) einbringt.
    24. Wärmeerzeuger nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (55) eine Querschnittsfläche von 7,5 mm2/kWtherm bis 30 mm2/kWtherm, insbesondere 17 mm2/kWtherm, aufweisen.
    25. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (55) mit der Längsachse des Wärmeerzeugers einen Winkel zwischen 20° und 30°, insbesondere 25°, einschließen.
    26. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff aus der zweiten Brennstofflanze über eine Verteilkammer und eine Lochblende in die Vorbrennkammer strömen kann.
    27. Wärmeerzeuger nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (55) mit ihrem der Vermischungszone (45) abgewandten Ende in die Vorbrennkammer (29) ragen.
    28. Verfahren zum Betreiben eines Wärmeerzeugers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
      Erfassen der Temperatur des Erhitzers (23),
      Erfassen des Drucks der vorgewärmten Verbrennungsluft,
      Regeln der Verbrennungsluftmenge in Abhängigkeit der Temperatur des Erhitzers (23) und
      Regeln der Gasmenge in Abhängigkeit des Drucks der vorgewärmten Verbrennungsluft.
    29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck der Verbrennungsluft in der Vorbrennkammer (29) oder im Brennraum (30) erfasst wird.
    30. Verfahren zum Betreiben eines Wärmeerzeugers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
      Erfassen der Temperatur des Erhitzers (23),
      Erfassen des Drucks der Verbrennungsluft in Strömungsrichtung nach einem Gebläse (),
      Regeln der Verbrennungsluftmenge in Abhängigkeit der Temperatur des Erhitzers (23) und
      Regeln der Gasmenge in Abhängigkeit des Drucks der Verbrennungsluft.
    31. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasmenge durch einen Verhältnisdruckregler () oder einen Gleichdruckregler geregelt wird.
    32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Nullpunktverschiebung und/oder die Verstärkung des Verhältnisdruckreglers () einstellbar sind.
    33. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluftmenge durch Ändern der Drehzahl eines Gebläses () geregelt wird.
    34. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluftmenge durch Ändern der Stellung einer Drosselklappe in einer Verbrennungsluftzufuhr () geregelt wird.
    35. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die flammlose Oxidation im Mischrohr (31) durch mindestens einen Temperaturfühler (64) überwacht wird.
    36. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Vorbrennkammer (29) durch eine Messung des Drucks in der zweiten Brennstofflanze (43) erfasst wird.
    37. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeerzeuger durch die zweite Brennstofflanze (43) auf Betriebstemperatur gebracht wird.
    38. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung in der zweiten Brennstofflanze (43) durch einen Feuerungsautomaten () überwacht wird.
    39. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Brennstofflanze (43) abgeschaltet wird, und dass die erste Brennstofflanze (41) eingeschaltet wird, wenn der Wärmeerzeuger seine Betriebstemperatur erreicht hat.
    40. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass ein redundant aufgebautes, insbesondere ein zwei Mikrocontroller aufweisendes Überwachungsmodul () die Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 27 bis 38 überwacht und beim Auftreten eines Fehlers ein entsprechendes Alarmsignal abgibt und/oder den Wärmeerzeuger abschaltet.
    41. Steuergerät für einen Wärmeerzeuger, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung eines der Verfahren nach den Ansprüchen 28 bis 40 geeignet ist.
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