EP1373799A1

EP1373799A1 - Brenner für ein gas/luft-gemisch

Info

Publication number: EP1373799A1
Application number: EP02719999A
Authority: EP
Inventors: Jochen Volkert; Peter Goebel
Original assignee: GVP Gesellschaft zur Vermarktung der Porenbrennertechnik mbH
Current assignee: GVP Gesellschaft zur Vermarktung der Porenbrennertechnik mbH
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2002-03-25
Publication date: 2004-01-02
Anticipated expiration: 2022-03-25
Also published as: US20040091831A1; DE50212635D1; CN1535367A; WO2002077525A1; EP1373799B1; US6997701B2; ATE404819T1; DE10114903A1; JP2004522128A

Description

Beschreibung

Brenner für ein Gas/Luft-Gemisch

Die Erfindung betrifft einen Brenner für ein Gas/Luft-Gemisch.

Nach dem Stand der Technik ist z.B. aus der DE 43 22 109 AI ein Brenner für ein Gas/Luft-Gemisch bekannt. Dabei erfolgt die Verbrennung axial in einem Gehäuse mit konstantem Querschnitt, welches insgesamt mit einem porösen Material ausgefüllt ist. Es bildet sich keine über das poröse Material herausgehende Flammenfront. Die Verbrennung findet ausschließlich innerhalb des mit dem porösen Material gefüllten Raums statt. Es bilden sich keine freien Flammen, die sich von einer äußeren Oberfläche bzw. Grenzfläche des porösen Mittels in die Umgebung erstrecken. Man spricht hier auch von einem Volumenbrenner. Mit dem bekannten Brenner kann ein Gas/Luft- Gemisch mit niedrigen Emissionswerten verbrannt werden.

Aus der JP 59195022 A (Patent Abstracts of Japan) ist ein Brenner bekannt, bei dem ein mit Durchbrüchen versehenes Rohr radial mit einem aus katalytischem Material hergestellten Zylinderkörper umgeben ist. Es handelt sich dabei um einen Oberflächenbrenner, d.h. die Flammen erstrecken sich von einer Oberfläche in die Umgebung.

Die US 4,900,245 beschreibt ein Infrarotbrenngerät, bei dem ein Düsenrohr von einem zylindrischen Element umgeben ist, das aus einen keramischen Schaum hergestellt ist. Das zylindrische Element dient der gleichmäßigen Verteilung des Gases an dessen Oberfläche. Das Gas wird an der Oberfläche des zylindrischen Elements verbrannt. An der Oberfläche ist ein Flammendetektor vorgesehen. Beim Erlöschen der Flamme erfolgt automatisch eine erneute Zündung. Die DE 195 08 908 AI beschreibt ein Brennerrohr, bei dem eine Vielzahl radial umlaufender Schlitze vorgesehen ist. Aus den Schlitzen treten fächerförmig die Flammen aus.

Aus der GB 2 231 949 A ist ein Gasbrenner bekannt. Dabei wird ein brennbares Gasgemisch durch eine poröse keramische Scheibe geführt und verbrannt. Der Scheibe kann in Strömungsrichtung eine Schichtabfolge nachgeordnet sein, die aus flachen und gewellten Ringscheiben gebildet ist. In diesem Fall wird das Gas an einer die Schichtabfolge umgebenden äußeren Oberfläche verbrannt.

Die EP 0 382 674 beschreibt einen Infrarotbrenner, bei dem auf einen aus einem Drahtgeflecht hergestellten Zylinder eine poröse aus keramischen Fasern gebildete Schicht aufgebracht ist. Auch dabei handelt es sich um einen Oberflächenbrenner. Weitere Oberflächenbrenner sind z.B. aus der DE 297 15 119 41 oder der US 4,679,528 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Volumenbrenner angegeben werden, welcher eine verbesserte Wärmeauskopplung aufweist und mit dem gleichzeitig eine Verbrennung eines Gas/Luft-Gemischs mit niedrigen Emissionswerten durchführbar ist. Weiteres Ziel ist es, einen Volumenbrenner anzugeben dessen Modulierbarkeit gegenüber bekannten Volumen- und Oberflächenbrenner verbessert ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 22.

Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Brenner für ein Gas/Luft- Gemisch mit einem Einlass für das Gas/Luft-Gemisch vorgese- hen, wobei ein dem Einlass stromabwärts nachgeordnetes Düsenrohr vorgesehen ist, dessen Mantelfläche eine Vielzahl von Durchbrüchen aufweist und wobei das Düsenrohr radial von einem Mittel zum Stabilisieren der Flamme umgeben ist. Das Mit- tel zum Stabilisieren der Flamme beschreibt den Verbrennungsraum bzw. eine volumetrische Brennzone.

Der erfindungsgemäße Brenner weist eine hervorragende Wärmeauskopplung auf. Sie wird auf einen verbesserten Wärmeüber- gang durch Konvektion und Strahlung zurückgeführt. Ein

Gas/Luft-Gemisch kann wegen verbesserter Homogenisierung im gesamten Modulationsbereich mit besonders niedrigen Emissionswerten verbrannt werden.

Unter dem Begriff "Gas/Luft-Gemisch" wird vorliegend ein aus einem brennbaren Gas, z.B. Erdgas, Propangas und dgl . , mit Luft oder einem anderen geeigneten Oxidationsmittel bestehendes Gemisch verstanden, wobei das Mischungsverhältnis so gewählt ist, dass eine Verbrennung möglich ist.

Der Durchmesser der im Düsenrohr vorgesehenen Durchbrüche ist zweckmäßigerweise so gewählt, dass ein Flammenrückschlag in das Düsenrohr nicht möglich ist. Die Durchbrüche können einen Durchmesser im Bereich von 0,5 bis 2,0 mm, vorzugsweise 1,3 bis 1,5 mm, aufweisen.

Die Verbrennung des Gases findet im Wesentlichen im Mittel zum Stabilisieren der Flamme statt. Insbesondere werden an einer das Mittel zum Stabilisieren der Flamme einhüllenden äußeren Oberfläche keine freien Flammen gebildet. Das Mittel zum Stabilisieren der Flamme hat die Funktion, den Brennraum zu begrenzen und gleichzeitig die Flammentemperatur zu vergleichmäßigen und zu erniedrigen. Eine weitere Funktion besteht in der Stabilisierung der Flamme im Übergangsbereich zwischen Düsenrohr und dem Verbrennungsraum durch eine stu- fenweise Erhöhung der Peclet-Zahl. Das Mittel zum Stabilisieren der Flamme ist nicht unmittelbar von einem Gehäuse umgeben. Die Wärme kann ungehindert ausgekoppelt werden. Wegen der radialen Anordnung des Mittels zum Stabilisieren der Flamme wird eine besonders große Fläche für die Wärmeauskopplung erreicht. Die Auskopplungsfläche kann z.B. der Fläche eines Zylindermantels entsprechen. Die radiale Anordnung des Mittels zum Stabilisieren der Flamme hat ferner den Vorteil, dass durch ein dabei verwirklichtes radial nach außen hin zu- nehmendes Volumen an kommunizierenden Strömungskanälen die expandierenden Verbrennungsgase rasch abgeführt werden können. Es entsteht im Mittel zum Stabilisieren der Flamme kein Wärmestau, was die Wärmeauskopplung weiter verbessert. Wegen der durch die radiale Anordnung des Mittels zur Stabilisie- rung der Flamme bedingten radialen Erweiterung der Querschnitte der Strömungskanäle kommt es zu einer Verlangsamung der Konvektionsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase. Die Flamme wird damit strömungsmechanisch zusätzlich stabilisiert. Die Modulierbarkeit des Brenners wird weiter erhöht.

Vorteilhafterweise ist dem Einlass ein Gebläse zum Transport des Gas/Luft-Gemischs in das Düsenrohr nachgeordnet. Dadurch wird gewährleistet, dass stets eine ausreichende Menge an Gas/Luft-Gemisch durch das Düsenrohr dem Mittel zum Stabili- sieren der Flamme zugeführt wird.

Das Düsenrohr kann aus einer feuerfesten Keramik, die vorzugsweise aus Keramikfasern hergestellt ist, gebildet sein. Die feuerfeste Keramik weist zweckmäßigerweise ein Porosität von 75 bis 95 Vol . % auf. Eine solche Keramik zeichnet sich im praktischen Einsatz durch Langlebigkeit aus. Insbesondere eine unter Verwendung von Keramikfasern hergestellte Keramik weist wegen ihrer besonders guten Bruchfestigkeit eine hohe Standzeit auf. Die Keramik ist zweckmäßigerweise zusammenge- setzt aus etwa 50 Gew.% Aluminiumoxid und 50 Gew.% Silizium- oxid. Das Düsenrohr kann selbstverständlich auch aus anderen geeigneten Materialien, z.B. hitzebeständigen Metallen, Quarzglas, Glaskeramik, Schaumkeramik und dgl . hergestellt sein.

Das Mittel zum Stabilisieren der Flamme kann ein poröses Medium sein mit einer Porengröße, welches die Bildung einer Flamme ermöglicht.

Das Mittel zum Stabilisieren der Flamme ist zweckmäßigerweise gebildet aus einer Vielzahl radial vom Düsenrohr sich erstreckender und mit einem axialen Abstand voneinander angeordneter Ringscheiben. Die Ringscheiben können reibschlüssig auf dem Düsenrohr gehalten sein.

Die Ringscheiben können aus ersten und zweiten Ringscheiben gebildet sein, wobei ein Ringradius der ersten Ringscheiben kleiner als der Ringradius der zweiten Ringscheiben ist. Der Ringradius der zweiten Ringscheiben ist zweckmäßigerweise zu- mindest doppelt so groß wie der Ringradius der ersten

Ringscheiben. Unter dem Begriff "Ringradius" wird vorliegend die Differenz zwischen einem inneren Radius und einem äußeren Radius der Ringscheibe verstanden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung sind die ersten und die zweiten Ringscheiben abwechselnd in axialer Richtung auf dem Düsenrohr aufgenommen. Durch die Wechselfolge der ersten und der zweiten Ringscheiben ist vorteilhafterweise eine radial innenliegende erste Flammenstabilisierungszone sowie eine ra- dial außenliegende zweite Flammenstabilisierungszone ohne zwischenliegende erste Ringscheiben gebildet. Die Peclet-Zahl der ersten Flammenstabilisierungszone ist zweckmäßigerweise kleiner als die Peclet-Zahl der zweiten Flammenstabilisierungszone. Die vorgeschlagene von innen nach außen erfolgende Zunahme der Peclet-Zahl erfolgt beim vorgeschriebenen Ausfüh- rungsbeispiel unstetig. Es hat sich gleichwohl überraschenderweise gezeigt, dass schon das Vorsehen zweier Flammenstabilisierungszonen die Realisierung eines Brenners mit einer hervorragenden Dynamik ermöglicht.

Selbstverständlich ist es auch möglich, eine Abfolge einer Vielzahl von Flammenstabilisierungszonen im Mittel zum Stabilisieren der Flamme zu realisieren. Die Peclet-Zahl nimmt dabei im Idealfall kontinuierlich radial von innen nach außen zu. In jedem Fall ist die Peclet-Zahl so gewählt, dass im

Mittel zum Stabilisieren der Flamme eine Verbrennung nach Art eines Volumenbrenners stattfindet. Die Peclet-Zahl des Düsenrohrs ist dagegen so gewählt, dass ein Flammenrückschlag in das Düsenrohr unmöglich ist. Wegen der Definition der Peclet- Zahl und der Wirkungs- und Funktionsweise von Volumenbrennern wird ergänzend auf die DE 43 22 109 AI hingewiesen, deren Offenbarungsgehalt hiermit einbezogen wird.

Die Fläche der Ringscheiben ist zweckmäßigerweise gewellt, so dass zwischen zwei benachbarten Ringscheiben vom Düsenrohr zum äußeren Umfangsrand der Ringscheiben verlaufende Strömungskanäle gebildet sind. Die Wellenkammlinien der Wellen verlaufen, vorzugsweise gekrümmt, vom Zentrum zum Umfangsrand der Ringscheiben, so dass zwischen zwei benachbarten Ringscheiben vom Düsenrohr zum äußeren Umfangsrand der

Ringscheiben verlaufende, vorzugsweise gekrümmte, durchgehende Strömungskanäle gebildet sind.

Nach einer weiteren Ausgestaltung sind im Mittel zum Stabili- sieren Strömungskanäle ausgebildet, deren Querschnitt sich radial von innen nach außen vergrößert. Die Peclet-Zahl nimmt zweckmäßigerweise im Mittel zum Stabilisieren radial nach außen hin zu. Es hat sich gezeigt, dass eine solche Ausbildung eine besonders gute Auskopplung der durch die Verbrennung er- zeugten Wärme sowie eine Erhöhung der Modulierbarkeit be- wirkt. Weiterhin hat es sich gezeigt, dass durch die radiale Zunahme des Querschnitts von innen nach außen eine durch thermoakkustische Anregung bedingte Schallemission erheblich vermindert werden kann. Der vorgeschlagene Brenner ist im Be- trieb besonders leise. Es kommt insbesondere nicht zu niederfrequenten Schwingungen, welche zu einer Zerstörung des Düsenrohrs oder des Mittels zum Stabilisieren der Flamme führen können.

Die Fläche der Ringscheiben weist vorteilhafterweise eine Vielzahl weiterer Durchbrüche auf. Die weiteren Durchbrüche können rechteckig, schlitzartig oder rund ausgebildet sein. Die Öffnungsfläche der weiteren Durchbrüche beträgt zweckmäßigerweise etwa 1 mm². Die Ringscheiben können aus einer feu- erfesten, vorzugsweise eine gitterartige Struktur aufweisenden, Keramik hergestellt sein. Dabei kann es sich um ein aus Mullit-Fasern hergestelltes Gewebe handeln, welches in einer aus Aluminiumoxid gebildeten Matrix aufgenommen ist.

Nach einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal sind die Ringscheiben zwischen zwei in der Nähe der Enden des Düsenrohrs vorgesehenen weiteren aus einer feuerfesten Keramik hergestellten Ringscheiben angeordnet. Die weiteren Ringscheiben begrenzen endständig den Brennraum. Sie haben die Funktion einer ther- mischen Isolierung. Sie sind zweckmäßigerweise aus einer porösen Aluminiumoxid-Keramik hergestellt, welche allerdings keine Durchbrüche aufweist.

Das Mittel zur Stabilisierung der Flamme kann auch aus einem dreidimensionalen Metallgeflecht, einer porösen Keramik oder dgl . hergestellt sein. In jedem Fall ist es zweckmäßig, dass das Düsenrohr eine Peclet-Zahl von < 65 und das Mittel zum Stabilisieren der Flamme eine Peclet-Zahl von > 65 aufweist. Dadurch wird sicher gewährleistet, dass ein Rückschlagen der Flamme in das Düsenrohr verhindert wird. Gleichzeitig ist ei- ne Verbrennung im Mittel zum Stabilisieren der Flamme möglich.

Das Mittel zur Stabilisierung der Flamme ist nach einem be- sonders vorteilhaften Ausgestaltungsmerkmal von einem Wärmetauscher umgeben. Die aus dem Mittel zur Stabilisierung der Flamme ausgekoppelte Wärme wird mit hoher Effektivität auf ein im Wärmetauscher zirkulierendes flüssiges Medium übertragen. Der Wärmetauscher kann wiederum von einem Gehäuse umge- ben sein.

Nachfolgend werden ein Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Brenners,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Ringscheibe gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Brenners,

Fig. 4 eine Querschittsansicht nach Fig. 3 und

Fig. 5 eine Detailansicht nach Fig. 4.

In Fig. 1 ist in einer Gehäusehalbschale 1 eines hier nicht im Detail gezeigten Gebläses ein Einlass 2 für ein Gas/Luft- Gemisch vorgesehen. Ein Gebläseauslass 3 liegt einer in einer Vorkammer 4 aufgenommen Prallplatte 5 gegenüber. Die Prallplatte 5 hat die Funktion eine möglichst homogene Strömungs- geschwindigkeit am Eintrittsquerschnitt 6 eines Düsenrohrs 7 zu gewährleisten. Das Düsenrohr 7 weist eine Vielzahl radial verlaufender Durchbrüche 8 mit einem Durchmesser von etwa 1,0 bis 2,0 mm auf. Die Durchbrüche 8 sind gleichmäßig über die Mantelfläche des Düsenrohrs 7 verteilt. C5

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Bezugszeichenliste

1 Gebläsehalbschale

2 Einlass 3 Gebläseauslass

4 Vorkammer

5 Prallplatte

6 Einlassquerschnitt

7 Düsenrohr 8 Durchbruch

9 Ringscheibe

10 Strömungskanal

11 weitere Ringscheibe

12 Rohr 13 Wellenkammlinie

14 Umfangsrand

15 weitere Durchbrüche

16 erste Ringscheibe

17 zweite Ringscheibe 18 Wellung

A Zone

Bl erste Flammenstabilisierungszone

B2 zweite Flammenstabilisierungszone Rl erster Ringradius

R2 zweiter Ringradius

G Gehäuse

Claims

Patentansprüche

1. Brenner für ein Gas/Luft-Gemisch mit einem Einlass (2, 6) für das Gas/Luft-Gemisch, wobei ein dem Einlass (2, 6) strom- abwärts nachgeordnetes Düsenrohr (7) vorgesehen ist, dessen Mantelfläche eine Vielzahl von Durchbrüchen (8) aufweist, und wobei das Düsenrohr (7) radial von einem Mittel (9, 16, 17) zum Stabilisieren der Flamme umgeben ist.

2. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbrennung des Gases im Wesentlichen im Mittel (9, 16, 17) zum Stabilisieren der Flamme stattfindet.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, wobei dem Einlass (2) ein Gebläse zum Transport des Gas/Luft-Gemischs in das Düsenrohr

(7) nachgeordnet ist.

4. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Düsenrohr (7) aus einer feuerfesten, vorzugsweise aus Kera- mikfasern hergestellten, Keramik gebildet ist.

5. Brenner nach Anspruch 4, wobei die feuerfeste Keramik eine' Porosität von 75 bis 95 Vol.% aufweist.

6. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel zum Stabilisieren der Flamme aus einer Schaumkeramik gebildet ist.

7. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel zum Stabilisieren der Flamme aus einer Vielzahl radial vom Düsenrohr (7) sich erstreckender und mit einem axialen Abstand voneinander angeordneter Ringscheiben (9, 16, 17) gebildet ist.

8. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ringscheiben (9, 16, 17) aus ersten (16) und zweiten Ringscheiben (17) gebildet sind, wobei ein Ringradius (Rl) der ersten Ringscheiben (16) kleiner als ein Ringradius (R2) der zweiten Ringscheiben (17) ist.

9. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Ringradius (Rl) der zweiten Ringscheiben (17) zumindest dop- pelt so groß ist wie der Ringradius (Rl) der ersten Ringscheiben (16).

10. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten (16) und die zweiten Ringscheiben (17) abwechselnd in axialer Richtung auf dem Düsenrohr (7) aufgenommen sind.

11. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch die Wechselfolge der ersten (16) und der zweiten Ringscheiben (17) eine radial innenliegende erste Flammensta- bilisierungszone (Bl) sowie eine radial außenliegende zweite Flammenstabilisierungszone (B2) ohne zwischenliegende erste Ringscheiben (16) gebildet ist.

12. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Peclet-Zahl der ersten Flammenstabilisierungszone (Bl) kleiner als die Peclet-Zahl der zweiten Flammenstabilisierungszone (B2) ist.

13. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fläche der Ringscheiben (9, 16, 17) gewellt ist, so dass zwischen zwei benachbarten Ringscheiben (9, 16, 17) vom Düsenrohr (7) zum äußeren Umfangsrand (14) der Ringscheiben (9, 16, 17) verlaufende Strömungskanäle (10) gebildet sind.

14. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Wellenkammlinien (13) der Wellen (18), vorzugsweise gekrümmt, vom Zentrum zum Umfangsrand (14) der Ringscheiben (9, 16, 17) verlaufen, so dass zwischen zwei benachbarten Ringscheiben

(9, 16, 17) vom Düsenrohr (7) zum Umfangsrand (14) verlaufende, vorzugsweise gekrümmte, durchgehende Strömungskanäle (10) gebildet sind.

15. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Querschnitt der Strömungskanäle (10) sich radial von innen nach außen sich vergrößert.

16. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Peclet-Zahl im Mittel (9, 16, 17) zum Stabilisieren radial nach außen hin zunimmt .

17. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fläche der Ringscheiben (9, 16, 17) eine Vielzahl weite- rer Durchbrüche (15) aufweist.

18. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ringscheiben (9, 16, 17) aus einer feuerfesten, vorzugsweise eine gitterartige Struktur aufweisenden, Keramik herge- stellt sind.

19. Brenner nach Anspruch 17, wobei die Keramik gebildet ist aus in einer Aluminiumoxid-Matrix aufgenommenen Mullit- Fasern.

20. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ringscheiben (9, 16, 17) zwischen zwei in der Nähe der Enden des Düsenrohrs (7) vorgesehenen weiteren aus einer feu- erfesten Keramik hergestellten Ringscheiben (11) angeordnet sind.

21. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Düsenrohr (7) eine Peclet-Zahl von < 65 und das Mittel

(9, 16, 17) zum Stabilisieren der Flamme eine Peclet-Zahl von > 65 aufweist.

22. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel (9, 16, 17) zur Stabilisierung der Flamme von einem Wärmetauscher (12) umgeben ist.