EP1559158A2 - Postcombustion system and method for operating a postcombustion system - Google Patents

Postcombustion system and method for operating a postcombustion system

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Publication number
EP1559158A2
EP1559158A2 EP03750312A EP03750312A EP1559158A2 EP 1559158 A2 EP1559158 A2 EP 1559158A2 EP 03750312 A EP03750312 A EP 03750312A EP 03750312 A EP03750312 A EP 03750312A EP 1559158 A2 EP1559158 A2 EP 1559158A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion
combustion chamber
afterburner
heat
foam ceramic
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03750312A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Guenter Hoenig
Frank Miller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1559158A2 publication Critical patent/EP1559158A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0625Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • FIG. 1 is a schematic representation of a first embodiment of an afterburner according to the invention as a schematic diagram
  • the first housing 5 is in good heat-conducting contact over a large area with heat exchange channels 18, not shown in this figure.
  • Strip-shaped heat-conducting elements 23 run inside the foam ceramic 4.
  • they can also be tubular or cylindrical-tubular.
  • the heat-conducting elements 23 run from top to bottom, parallel to the axis 22. They serve to transport heat into areas within the first housing 5, which, for example, only slowly in a cold start phase, relative to other areas within the first housing 5 heat.
  • heat can be conducted from an area near the lower ring 10 into an area near the upper ring 9.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
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  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Combustion Of Fluid Fuel (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

.The invention concerns a postcombustion system (1) and a method for operating a postcombustion system (1), in particular for a chemical reformer to obtain hydrogen, so as to provide available heat from residual fuels and/or gases derived from a reforming process and/or a process in a fuel cell. Said method consists in controlled transfer of the heat derived from fuel gases recycled to a first housing (5) and/or to a combustion chamber (8) which is filled at least partly with a heat-resistant alveolar ceramic (4) with open pores located in said first housing. The control is for example carried out based on the temperature detected in the combustion chamber by means of infrared light measurement.

Description

Nachbrenneinrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Afterburner and method for operating a
Nachbrenneinrichtungpostcombustion
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einer Nachbrenneinrichtung nach der Gattung des Anspruchs 7 bzw. von einem Verfahren zum Betreiben einer Nachbrenneinrichtung nach der Gattung des Anspruchs 1.The invention is based on an afterburner according to the preamble of claim 7 or on a method for operating an afterburner according to the preamble of claim 1.
Bei brennstoffzellengestützten Transportsystemen kommen zur Gewinnung des benötigten Wasserstoffs aus kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffen sog. chemische Reformer zum Einsatz.In the case of transport systems supported by fuel cells, so-called chemical reformers are used to obtain the required hydrogen from hydrocarbon-containing fuels.
Die optimale Betriebstemperatur eines chemischen Reformers liegt meist weit oberhalb seiner Umgebungstemperatur. Insbesondere bei Fahrzeugen für den Individualverkehr führt dies zu Problemen. Die zahlreichen Stillstandsphasen des Fahrzeugs führen zu einer großen Anzahl von Kaltstartphasen, in welcher insbesondere der chemische Reformer nicht optimal arbeitet . Bei sehr geringer Last erreicht der Reformer ebenfalls u.U. die optimale Betriebstemperatur durch die in ihm anfallende Wärme nicht oder verliert sie während des Betriebs . Insbesondere bei brennsto fzellengestützten Antriebsystemen mit chemischem Reformer ist es daher vorteilhaft, Nachbrenneinrichtungen einzusetzen, welche insbesondere die Aufgabe haben, mit der durch sie erzeugten Wärme den chemischen Reformer schnell auf Betriebstemperatur zu bringen und/oder anfallende Restgase thermisch zu verwerten.The optimal operating temperature of a chemical reformer is usually far above its ambient temperature. This leads to problems in particular for vehicles for private transport. The numerous standstill phases of the vehicle lead to a large number of cold start phases, in which the chemical reformer in particular does not work optimally. At very low loads, the reformer may not reach the optimum operating temperature due to the heat it contains, or may lose it during operation. Particularly in the case of fuel cell-assisted drive systems with a chemical reformer, it is therefore advantageous to use afterburning devices which, in particular, have the task of using the heat generated by them to bring the chemical reformer quickly to the operating temperature and / or to thermally utilize any residual gases.
Die Nachbrenneinrichtung verbrennt die brennbaren Restgase, beispielsweise Restwasserstof , unter Flammenbildung und/oder zumindest teilweise katalytisch und ist mit dem chemischen Reformer thermisch gekoppelt. Meist jedoch reicht die Wärmeenergie der brennbaren Restgase alleine nicht aus, eine ausreichend große Wärmeleistung zur Verfügung zu stellen. Deshalb wird meist zusätzlich oder alleinig Brennstoff in die Nachbrenneinrichtung eingemessen. Dabei wird der Brennstoff, welcher vorzugsweise in flüssiger Form vorliegt, durch aufwendige und fehleranfällige Einrichtungen fein verteilt als Tropfchenwolke mit möglichst kleinem Tropfchendurchmesser in einen Brennraum eingespritzt. Der geringe Tropfchendurchmesser ist notwendig, um den Brennstoff möglichst großflächig mit Sauerstoff und Wärme in Kontakt zu bringen und um so den Verbrennungs organg möglichst vollständig zu vollziehen.The afterburner burns the combustible residual gases, for example residual hydrogen, with flame formation and / or at least partially catalytically and is thermally coupled to the chemical reformer. Usually, however, the thermal energy of the flammable residual gases alone is not sufficient to provide a sufficiently large thermal output. For this reason, fuel is usually measured additionally or solely in the afterburner. The fuel, which is preferably in liquid form, is injected into a combustion chamber in finely divided form as a droplet cloud with the smallest possible droplet diameter, using complex and error-prone devices. The small droplet diameter is necessary in order to bring the fuel into contact with oxygen and heat over as large a surface as possible and so as to complete the combustion process as completely as possible.
Nachteilig ist dabei, daß Zumeßeinrichtungen zur Erzeugung einer Tr pfchenwolke mit kleinem Tropfchendurchmesser sehr aufwendig, kostenintensiv und fehleranfällig sind. Der notwendige geringe Tropfchendurchmesser kann oft nur durch die Anwendung hohen Brennstoffdrucks erzielt werden, wobei die Erzeugung hohen Drucks verhältnismäßig viel Leistung beansprucht und insbesondere die Anlage zur Erzeugung des Drucks viel Raum beansprucht. Solche Zumeßeinrichtungen haben darüber hinaus üblicherweise sehr kleine Zumeßöffnungen, welche durch Verbrennungsrückstände bzw. Ablagerungen das Zumeßverhalten der Zumeßeinrichtung unzulässig und schlecht kontrollierbar verändern. Alternativ oder unterstützend zu der Anwendung hohen Brennstoffdrucks sind zur feinen Zerstäubung des Brennstoffs Lösungen mit Luftunterstützung bekannt, -wobei der Brennstoff bzw. das Restgas vor der Verbrennung ausreichend lange mit Luft verwirbelt wird. Nachteilig ist hierbei der relativ große Raumbedarf, die aufwendige und störanfällig Regelung der Luftzumessung und der zusätzliche Energiebedarf.The disadvantage here is that metering devices for generating a droplet cloud with a small droplet diameter are very complex, cost-intensive and prone to errors. The necessary small droplet diameter can often only be achieved by using high fuel pressure, the generation of high pressure taking up a relatively large amount of power and in particular the installation for generating the pressure taking up a lot of space. In addition, such metering devices usually have very small metering openings which, due to combustion residues or deposits, change the metering behavior of the metering device in an impermissible and difficult to control manner. As an alternative or in support of the use of high fuel pressure, solutions with air support are known for the fine atomization of the fuel, the fuel or the Residual gas is swirled with air for a sufficiently long time before combustion. The disadvantages here are the relatively large space requirement, the complex and prone to failure regulation of the air metering and the additional energy requirement.
Schließlich ergibt sich insbesondere bei geringer Leistung die Gefahr einer unvorhergesehenen Flammlöschung der offenen kontinuierlich brennenden Flamme im Brennraum. Die Wärmeleistung der Nachbrenneinrichtung ist deshalb nach unten hin stark eingeschränkt. Weiterhin ist stets ein gewisser Zeitbedarf zur Abschaltung der Brennstoffzufuhr oder der Neuzündung der Flamme notwendig. In dieser Zeit kann sich Brennstoff bzw. Restgas im Brennraum ansammeln. Dies beeinflußt die Neuzündung negativ, ein ggf. vorhandener Katalysator kann beschädigt werden und unverbrannter Brennstoff bzw. Restgas kann in die Atmosphäre entweichen. Trotz all der genannten Maßnahmen bleiben im Abgas der Nachbrenneinrichtung unverbrannte bzw. unvollständig verbrannte Anteile zurück, welche teilweise giftig oder chemisch aggressiv sind. Dies führt zu einer erhöhten Umweltbelastung und Materialbelastung, außerdem wird der Brennwert des Brennstoffs bzw. des Restgases nur unvollständig ausgenutzt.Finally, there is a risk of unforeseen flame extinction of the open, continuously burning flame in the combustion chamber, particularly at low power. The thermal output of the afterburner is therefore severely restricted downwards. Furthermore, a certain amount of time is always required to switch off the fuel supply or to re-ignite the flame. During this time, fuel or residual gas can accumulate in the combustion chamber. This has a negative impact on the re-ignition, a catalyst which may be present can be damaged and unburned fuel or residual gas can escape into the atmosphere. Despite all of the measures mentioned, unburned or incompletely burned portions remain in the exhaust gas of the afterburner, which are sometimes toxic or chemically aggressive. This leads to increased environmental pollution and material pollution, and the calorific value of the fuel or residual gas is only incompletely used.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Nachbrenneinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, daß durch die Zumessung von Brennstoff auf bzw. in die offenporige hitzebeständige Schaumkeramik ohne den Einsatz aufwendiger Zerstäubungseinrichtungen zur Erzeugung feinster Brennstofftropfen eine sehr gute Brennstoffverteilung im Brennraum bzw. in der Schaumkeramik erfolgt. Die damit einhergehende verhältnismäßig große Berührungsfläche mit Luftsauerstoff führt zu einer nahezu vollständigen Verbrennung des zugeführten Brennstoffes und Restgases und damit zu einem hervorragenden Wirkungsgrad und sehr geringen Schadstoffemissionen. -Die Anforderungen an die Zumeßeinrichtung bzw. die Brennstoffdüse, welche den Brennstoff in den Brennraum bzw. auf oder in die Schaumkeramik einmißt, sind sehr gering, da die Verteilung des Brennstoffes innerhalb der Schaumkeramik erfolgt.The method according to the invention and the afterburner device according to the invention with the characterizing features of the independent claims have the advantage, in contrast, that by metering fuel onto or into the open-pore heat-resistant foam ceramic without the use of complex atomizing devices to produce the finest fuel drops, a very good fuel distribution in the combustion chamber or in the ceramic foam. The associated relatively large contact area with atmospheric oxygen leads to an almost complete combustion of the supplied fuel and residual gas and thus to an excellent efficiency and very low pollutant emissions. -The requirements on the The metering device or the fuel nozzle, which measures the fuel in the combustion chamber or on or in the foam ceramic, are very small, since the fuel is distributed within the foam ceramic.
Durch die geringe' Wärmekapazität der Schaumkeramik und den in der Schaumkeramik gleichmäßig und großräumig verteilten Verbrennungsvorgang, heizt sich die Schaumkeramik sehr schnell auf, womit schon nach kurzer Betriebsdauer und eventuell auftretender kurzzeitiger Unterbrechung der Brennstoffzufuhr eine Fremdzündung durch beispielsweise Zündkerzen bei Wiederaufnahme der Brennstoffzufuhr nicht notwendig ist. Die Nutzung der Abgaswärme durch die Rückführung der aus der Verbrennung entstehenden Abgase über eine Rückführungsleitung und einen Wärmetauschkanal, welcher die zugeführte Luft und/oder den Brennraum bzw. die Schaumkeramik, insbesondere im Kaltstartbetrieb, mit Abgaswärme wärmt, führt zu einer verkürzten Kaltstartphase und damit zu einer weiteren Verringerung der Schadstoffemissionen sowie zu einer weiteren Verbesserung der KraftstoffUmsetzung. Durch die Erfassung der Verbrennungsgeschwindigkeit ist es möglich, die rückgeführte Wärmemenge zu regeln. Damit ist es möglich, in der Kaltstartphase ein Höchstmaß an Wärmemenge zurückzuführen ohne bei steigender Verbrennungsgeschwindigkeit für die Nachbrenneinrichtung oder deren Betrieb ungünstige Temperaturen zu erzeugen.Due to the low 'heat capacity of the foam ceramic and the evenly distributed combustion process in the foam ceramic, the foam ceramic heats up very quickly, so that after a short period of operation and a possible brief interruption in the fuel supply, spark ignition by spark plugs, for example, is not necessary when the fuel supply is restarted , The use of the exhaust gas heat by recirculating the exhaust gases resulting from the combustion via a return line and a heat exchange duct, which heats the supplied air and / or the combustion chamber or the foam ceramic, especially in cold start operation, with exhaust gas heat leads to a shortened cold start phase and thus to a further reduction in pollutant emissions and a further improvement in fuel implementation. By detecting the rate of combustion, it is possible to regulate the amount of heat returned. This makes it possible to return a maximum amount of heat in the cold start phase without generating unfavorable temperatures for the afterburner or its operation as the combustion speed increases.
Vorteilhaft ist weiterhin, daß die Schaumkeramik einen Teil des zugemessenen Brennstoffs zunächst aufnimmt, ohne daß dieser sofort gezündet wird. Vielmehr verteilt sich ein Teil des Brennstoff zuerst in der Schaumkeramik, bevor er an seiner Oberfläche gezündet wird. Die Schaumkeramik ist also in der Lage, eine gewisse Menge Brennstoff zunächst zu speichern. Diese Eigenschaft ist beispielsweise bei einem Anfahren der Nachbrenneinrichtung aus dem kalten Zustand bei nur ungenügender Fremdzündung durch beispielsweise eine Glühwendel von Vorteil, da der Brennstoff nicht sofort unverbrannt durch den Brennraum hindurch entweichen kann. Vielmehr wird er in der Schaumkeramik gespeichert und steht der Verbrennung weiterhin zur Verfügung. Verpuffungsvorgänge im Brennraum bzw. eine Anreicherung des Brennstoff-Luft- Gemisches über die Zündfähigkeit hinaus werden somit weitgehend verhindert.It is also advantageous that the foam ceramic initially absorbs part of the metered fuel without it being ignited immediately. Rather, some of the fuel is distributed in the foam ceramic before it is ignited on its surface. The foam ceramic is therefore able to initially store a certain amount of fuel. This property is advantageous, for example, when starting the afterburner from the cold state with insufficient spark ignition, for example by a filament, since the fuel cannot escape unburned immediately through the combustion chamber. Rather, it is stored in the foam ceramic and is still available for combustion. Deflagration processes in the combustion chamber or an enrichment of the fuel-air mixture beyond the ignitability are thus largely prevented.
Weiterhin sehr vorteilhaft ist außerdem, daß weitgehend unabhängig von der geometrischen Formgebung der Schaumkeramik die Verteilung des Brennstoffs vorrangig selbsttätig stattfindet. Dies läßt eine sehr anpassungsfähige Platzierung der Schaumkeramik im Brennraum bzw. in der Nachbrenneinrichtung zu, um beispielsweise die thermische Kopplung zwischen Schaumkeramik und Brennraum, bzw. mit anderen Elementen der Nachbrenneinrichtung, zu verbessern.It is also very advantageous that the distribution of the fuel takes place automatically, largely independently of the geometric shape of the foam ceramic. This allows a very adaptable placement of the foam ceramic in the combustion chamber or in the afterburner, for example to improve the thermal coupling between the foam ceramic and the combustion chamber, or with other elements of the afterburner.
Darüber hinaus hat die er indungsgemäße Nachbrenneinrichtung einen sehr großen Wärmeleistungsbereich, der insbesondere durch die Möglichkeit zustande kommt, sehr kleine Wärmeleistungen einzustellen. Durch diese einstellbaren sehr kleinen Wärmeleistungen bzw. Brennleistungen ist es möglich, Schadstoffintensive, materialbelastende und wirkungsgradmindernde Aus- und EinsehaltVorgänge der Nachbrenneinrichtung zu vermeiden, insbesondere bei Lastwechselvorgängen typisch für den automobilen Individualverkehr .In addition, the afterburner device according to the invention has a very large heat output range, which is particularly due to the possibility of setting very small heat outputs. These adjustable, very low heat outputs or combustion outputs make it possible to avoid pollutant-intensive, material-burdensome and efficiency-reducing, post-combustion processes of the afterburner, particularly in the case of load change processes typical of private automobile traffic.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Nachbrenneinrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Nachbrenneinrichung gehen aus den jeweiligen Unteransprüchen hervor.Advantageous developments of the afterburning device according to the invention and of the method according to the invention for operating an afterburning device can be found in the respective subclaims.
In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wird die Verbrennungsgeschwindigkeit anhand einer Temperaturmessung festgestellt. Besonders vorteilhaft kann diese durch eine berührungslose und damit weitgehend verschleißfreie Infrarotlichtmessung erfolgen. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Menge der rückgeführten Verbrennungsgase auf Basis der festgestellten Verbrennungsgeschwindigkeit geregelt .In a first advantageous development of the method according to the invention, the combustion rate is determined on the basis of a temperature measurement. This can be done particularly advantageously by means of a contactless and thus largely wear-free infrared light measurement. In a further advantageous development, the quantity of the recirculated combustion gases is regulated on the basis of the determined combustion rate.
Vorteilhaft weitergebildet wird das erfindungsgemäße Verfahren außerdem durch einen weiteren Verfahrensschritt, der, abhängig von der erfaßten Verbrennungsgeschwindigkeit, die Zufuhr von Luft, Brennstoff und/oder Restgas regelt. Wobei in einer weiteren Weiterbildung die Zufuhr von Luft in den Brennraum bzw. der Luftanteil am Brennsto f/Gas- Luftgeschmisch erhöht wird, um die Temperatur im Brennraum bzw. in der Schaumkeramik zu senken.The method according to the invention is advantageously further developed by a further method step which, depending on the detected combustion rate, regulates the supply of air, fuel and / or residual gas. In a further development, the supply of air to the combustion chamber or the proportion of air in the fuel / gas-air mixture is increased in order to lower the temperature in the combustion chamber or in the foam ceramic.
Umfaßt das Verfahren außerdem einen Ver ahrensschritt, in welchem der Brennraum bzw. die Schaumkeramik elektrisch beheizt wird, wird das Verfahren ebenfalls vorteilhaft weitergebildet. Dadurch kann der Brennraum bzw. die Schaumkeramik beispielsweise noch vor dem Beginn der Kaltstartphase beheizt werden, womit die Kaltstartphase der Nachbrenneinrichtung weiterhin verkürzt wird. Ebenso kann in dieser Weise die jeweils notwendige Zündenergie bereitgestellte werden oder eine notwendige Zündtemperatur erzeugt werden.If the method also includes a process step in which the combustion chamber or the foam ceramic is electrically heated, the method is also advantageously further developed. As a result, the combustion chamber or the foam ceramic can be heated, for example, even before the start of the cold start phase, which further shortens the cold start phase of the afterburner. Likewise, the ignition energy required in each case can be provided or a necessary ignition temperature can be generated.
Vorteilhaft weitergebildet werden kann die Nachbrenneinrichtung dadurch, daß die Schaumkeramik zumindest teilweise aus Siliziumkarbid besteht. Siliziumkarbid ist hervorragend hitzebeständig, ein exzellenter Wärmeleiter und verleiht der Ξchaumkeramik überdies eine gute mechanische Steifigkeit bei relativ geringer Dichte. Außerdem leitet Siliziumkarbid den elektrischen Strom relativ gut. Die gute elektrische Leitfähigkeit kann zu meßtechnischen Zwecken ausgenutzt werden, um beispielsweise die Temperatur über den durch Strom und Spannung hergeleiteten elektrischen Widerstand zu bestimmen, oder der Verbrennungsvorgang kann insbesondere durch die Wärmewirkung des elektrischen Stromes beeinflußt, gesteuert oder, z.B. bei katalytischer Verbrennung, gänzlich erzielt werden, beispielsweise im Teillastbetrieb. Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Schaumkeramik durch sog. Retikulieren, was beispielsweise thermisch oder chemisch durchgeführt werden kann, offenporig gemacht wird. Dadurch läßt sich ein sehr hohes Maß an Offenporigkeit erzielen und zudem läßt sich die Porengröße sehr leicht, bevorzugt im Bereich von 0,05 mm bis 5 mm, bei der Herstellung der Schaumkeramik einstellen.The afterburner can advantageously be further developed in that the foam ceramic consists at least partially of silicon carbide. Silicon carbide is extremely heat-resistant, an excellent heat conductor and also gives the foam ceramic good mechanical rigidity with a relatively low density. Silicon carbide also conducts electrical current relatively well. The good electrical conductivity can be used for measurement purposes, for example to determine the temperature via the electrical resistance derived from current and voltage, or the combustion process can be influenced, controlled or, for example in catalytic combustion, completely achieved by the thermal effect of the electrical current be, for example in part-load operation. It is also advantageous if the foam ceramic is made open-pored by so-called reticulation, which can be carried out, for example, thermally or chemically. This enables a very high degree of open porosity to be achieved and, moreover, the pore size can be set very easily, preferably in the range from 0.05 mm to 5 mm, in the production of the foam ceramic.
Vorteilhafterweise steht die Schaumkeramik mit zumindest einem Teil der Wandung des Brennraums oder des ersten Gehäuses in gutem wärmeleitendem Kontakt, da dadurch die Wärme schnell und effizient an beispielsweise den Reformer oder eine Brennstoffzelle abgegeben werden kann. Ebenso kann der Brennraum bzw. die Schaumkeramik durch diese Wandung des Brennraums bzw. des ersten Gehäuses von außen beheizt werden, beispielsweise durch einen rückgeführten Abgasstrom, ohne daß Abgas in den Brennraum oder die Schaumkeramik gelangt .Advantageously, the foam ceramic is in good heat-conducting contact with at least part of the wall of the combustion chamber or the first housing, since the heat can thereby be released quickly and efficiently to, for example, the reformer or a fuel cell. Likewise, the combustion chamber or the foam ceramic can be heated from the outside by this wall of the combustion chamber or the first housing, for example by a recirculated exhaust gas flow, without exhaust gas getting into the combustion chamber or the foam ceramic.
Durch die Anordnung von Wärmeleitelementen innerhalb des ersten Gehäuses, insbesondere auch innerhalb der Schaumkeramik, ist es vorteilhaft möglich, Wärme aus einem relativ warmen Bereich in einen dazu 'relativ kühlen Bereich zu leiten, insbesondere in den Bereich der Luftzufuhr oder in den Bereich in dem der Brennstoff oder die Restgase eingemessen werden. Dadurch wird die kühlende Wirkung der zugeführten Reaktanden kompensiert und die Reaktionsgeschwindigkeit, insbesondere in Kaltstartphasen, in den genannten Bereichen angehoben. Die Reaktionsgeschwindigkeiten verlaufen dadurch in allen Bereichen des Brennraums bzw. der Schaumkeramik gleichmäßig. Besonders ist vorteilhaft, wenn die Wärmeleitelemente aus Metall oder einer metallhaltigen Legierung bestehen, da Metalle besonders gute Wärmeleiter sind und außerdem gute mechanische sowie chemische Eigenschaften aufweisen.By the arrangement of heat-conducting elements within the first housing, in particular also within the ceramic foam, it is advantageously possible to conduct heat from a relatively hot area to a to 'relatively cool region, in particular in the area of the air supply or in the area in which Fuel or the residual gases are measured. This compensates for the cooling effect of the reactants supplied and increases the reaction rate, especially in cold start phases, in the areas mentioned. As a result, the reaction rates run uniformly in all areas of the combustion chamber or the foam ceramic. It is particularly advantageous if the heat-conducting elements consist of metal or a metal-containing alloy, since metals are particularly good heat conductors and also have good mechanical and chemical properties.
Vorteilhaft ist weiterhin, die Wärmeenergie der heißen Abgase durch eine Rückführungsleitung -und einen Wärmetauschkanal der Schaumkeramik bzw. dem Brennraum und/oder der zugeführten Luft, und damit der Verbrennungsreaktion selbst, zuzuführen. Dadurch wird die qualitativ niederwertige Abgaswärme genutzt, um insbesondere in Kaltstartphasen die Verbrennungsgeschwindigkeit schnell zu steigern und um die Reaktanden bzw. den Brennraum vo zuwärmen .It is also advantageous that the thermal energy of the hot exhaust gases through a return line and one Heat exchange channel of the foam ceramic or the combustion chamber and / or the supplied air, and thus the combustion reaction itself. As a result, the low-quality exhaust gas heat is used to quickly increase the combustion speed, especially in cold start phases, and to warm the reactants or the combustion chamber.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn ein Regler die Rückführung der Abgase regelt oder steuert. Es ist dadurch vorteilhaft möglich, heiße Abgase dosiert rückzuführen und die rückgeführte Wärmemenge so dem Wärmebedarf anzupassen. Insbesondere wird dadurch eine Überhitzung der Nachbrenneinrichtung verhindert und der Abgasgegendruck so gering wie möglich gehalten.It is also advantageous if a controller regulates or controls the recirculation of the exhaust gases. It is thereby advantageously possible to recirculate hot exhaust gases in a metered manner and to adapt the recirculated heat quantity to the heat requirement. In particular, this prevents overheating of the afterburner and keeps the exhaust gas back pressure as low as possible.
Vorteilhaft ist weiterhin, die Wärmetauschkanäle aus zylindrischen Rohren zu fertigen, da diese kostengünstig und einfach zu verarbeiten sind.It is also advantageous to manufacture the heat exchange channels from cylindrical tubes, since these are inexpensive and easy to process.
Zeichnungdrawing
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigten:Embodiments of the invention are shown in simplified form in the drawing and explained in more detail in the following description. It showed:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Nachbrenneinrichtung als Prinzipskizze,1 is a schematic representation of a first embodiment of an afterburner according to the invention as a schematic diagram,
Fig. 2 eine auszugsweise schematische Darstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels im Bereich des Brennraums,2 shows an excerpted schematic representation of a second exemplary embodiment according to the invention in the area of the combustion chamber,
Fig. 3 einen auszugsweisen Schnitt durch die offenporige Schaumkeramik als Prinzipskizze,3 is a partial section through the open-pore foam ceramic as a schematic diagram,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines dritten • erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung des dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels in einer Draufsicht,4 shows a schematic illustration of a third exemplary embodiment according to the invention, 5 shows a schematic sectional illustration of the third exemplary embodiment according to the invention in a top view,
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines vierten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels undFig. 6 is a schematic representation of a fourth embodiment of the invention and
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines fünften erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels.Fig. 7 is a schematic representation of a fifth embodiment of the invention.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielhaft beschrieben. An diesen Ausführungsbeispielen läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft anwenden. In den Figuren sind gleiche Bauteile jeweils mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen. Pfeile symbolisieren jeweils die Kraftstoff- und Gasströme.Exemplary embodiments of the invention are described below by way of example. The method according to the invention can be used particularly advantageously in these exemplary embodiments. In the figures, the same components are each provided with the same reference numerals. Arrows symbolize the fuel and gas flows.
Ein in Fig. 1 dargestelltes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Nachbrenneinrichtung 1 weist ein an den Enden geschlossenes rohrzylindrisches zweites Gehäuse 14, eine Düse 2, einen Regler 17 und eine Rückführungsleitung 16 auf. Die Düse 2 greift in die oben liegende Stirnseite des zweiten Gehäuses 14 ein und ist axialmittig zu einer Achse 22 angeordnet, welche in diesem Ausführungsbeispiel mit der Symmetrieachse des zweiten Gehäuses 14 identisch ist. Die oben liegende Stirnseite des zweiten Gehäuses 14 weist außerdem noch eine Luftzufuhr 3 auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel als bloße Öffnung realisiert ist. Seitlich nahe des unteren Endes des zweiten Gehäuses 14 befindet sich eine Austrittsöffnung 7, welche in ein Austrittsrohr 15 mündet. Das Austrittsrohr 15, eine erste Abgasleitung 20 und die Rückführungsleitung 16 münden in den Regler 17. Die Rückführungsleitung 16 führt von dem Regler 17 zu der oberen Stirnseite des zweiten Gehäuses 14 und mündet dort in das zweite Gehäuse 14 ein. Im Inneren des zweiten Gehäuses 14 befindet sich unter anderem ein Brennraum 8, welcher in Fig. 1 nicht dargestellt ist.An embodiment of an afterburner 1 according to the invention shown in FIG. 1 has a tubular cylindrical second housing 14 closed at the ends, a nozzle 2, a regulator 17 and a return line 16. The nozzle 2 engages in the upper end face of the second housing 14 and is arranged axially in the center of an axis 22, which in this exemplary embodiment is identical to the axis of symmetry of the second housing 14. The top end of the second housing 14 also has an air supply 3, which is realized in this embodiment as a mere opening. An outlet opening 7, which opens into an outlet pipe 15, is located laterally near the lower end of the second housing 14. The outlet pipe 15, a first exhaust line 20 and the return line 16 open into the controller 17. The return line 16 leads from the controller 17 to the upper end face of the second housing 14 and opens there into the second housing 14. Inside the The second housing 14 contains, among other things, a combustion chamber 8, which is not shown in FIG. 1.
Die Funktionsweise ist wie folgt :It works as follows:
Durch die Düse 2 wird entweder nur Brennstoff in vorzugsweiser flüssiger Form, nur Restgas aus z.B. einem Reformierungsprozeß oder Brennstoffzellenprozeß oder ein Gemisch dieser beiden brennbaren Stoffe in den im zweiten Gehäuse 14 liegenden in Fig. 1 nicht dargestellten Brennraum 8 eingemessen. Durch die Luftzufuhr 3 wird die zur Verbrennung benötigte Luft angesaugt. Eine ZwangsZuführung von Luft oder anderen sauerstoffhaltigen Substanzen ist jedoch denkbar.The nozzle 2 either only fuels in preferably liquid form, only residual gas from e.g. a reforming process or fuel cell process or a mixture of these two combustible substances in the combustion chamber 8 not shown in FIG. 1 in the second housing 14. The air required for combustion is sucked in by the air supply 3. A forced supply of air or other oxygen-containing substances is, however, conceivable.
Die an der Austrittsöffnung 7 austretenden Abgase strömen durch das Austrittsrohr 15 in den Regler 17 ein und werden zumindest teilweise über die Rückführungsleitung 16 in das zweite Gehäuse 14 zurückgeführt . Die zurückgeführten Abgase geben im Inneren des zweiten Gehäuses 14 Wärmeenergie ab, ohne daß die rückgeführten Abgase sich mit dem Brennstoff, den Restgasen oder der Luft vermischen, und werden über eine in Fig. 1 nicht dargestellte erste Abgasleitung 19 in die Umwelt oder in einen anderen Prozeß überführt. Die durch den Regler 17 nicht zurückgeführten Abgase werden vom Regler 17 durch eine zweite Abgasleitung 20 in die Umwelt oder einen anderen Prozeß geleitet .The exhaust gases emerging at the outlet opening 7 flow through the outlet pipe 15 into the regulator 17 and are at least partially returned to the second housing 14 via the return line 16. The recirculated exhaust gases emit thermal energy in the interior of the second housing 14 without the recirculated exhaust gases mixing with the fuel, the residual gases or the air, and are released into the environment or into another via a first exhaust gas line 19 (not shown in FIG. 1) Trial convicted. The exhaust gases not recirculated by the controller 17 are conducted by the controller 17 through a second exhaust pipe 20 into the environment or another process.
In diesem Ausführungsbeispiel wird durch nicht dargestellte Infrarotsensoren die momentane Temperatur oder die momentane Temperaturverteilung im Inneren des zweiten Gehäuses 14 bzw. dem nicht dargestellten Brennraum 8 gemessen. Dadurch kann insbesondere die momentane Verbrennungsgeschwindigkeit im Brennraum 8 festgestellt werden. In Abhängigkeit der Verbrennungsgeschwindigkeit wird in diesem Ausführungsbeispiel die Menge der in das zweite Gehäuse 14 zurückgeführten Abgase geregelt. Auch die jeweiligen Anteile und Mengen von Luft, Brennstoff und Restgasen, die durch die Düse 2 bzw. durch die Luftzufuhr 3 in das zweite Gehäuse 14 gelangen, werden abhängig von der Verbrennungsgeschwindigkeit erfindungsgemäß reguliert. Denkbar ist auch, die jeweiligen Anteile und Mengen von Luft, Brennstoff und Restgasen zeitgesteuert zu verändern. So werden beispielsweise bei Kaltstartbeginn insgesamt weniger Reaktanden zugeführt und der Brennstoffanteil erhöht, wobei zu einem späteren Zeitpunkt beispielsweise der Luftanteil angehoben wird und die Menge der Reaktanden insgesamt erhöht wird. Bei zu hoher Temperatur wird erfindungsgemäß die Luftzufuhr bzw. der Luftanteil im Brennraum 8 erhöht .In this exemplary embodiment, the instantaneous temperature or the instantaneous temperature distribution in the interior of the second housing 14 or the combustion chamber 8, not shown, is measured by infrared sensors (not shown). In particular, the instantaneous combustion speed in the combustion chamber 8 can thereby be determined. Depending on the combustion speed, the amount of exhaust gases returned to the second housing 14 is regulated in this exemplary embodiment. The respective proportions and amounts of air, fuel and residual gases that pass through the nozzle 2 or through the air supply 3 into the second housing 14 arrive, are regulated depending on the combustion rate according to the invention. It is also conceivable to change the respective proportions and amounts of air, fuel and residual gases in a time-controlled manner. For example, at the start of the cold start, fewer reactants are added and the proportion of fuel is increased, with the air proportion being increased at a later point in time and the total amount of reactants being increased. If the temperature is too high, the air supply or the air fraction in the combustion chamber 8 is increased according to the invention.
Zusätzlich kann auch noch ein Lambda-Sensor vorhanden sein.In addition, a lambda sensor can also be present.
Fig. 2 zeigt eine auszugsweise schematische Darstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Ausführurigsbeispiels im Bereich des Brennraums 8, welcher in dem in dieser Figur nicht dargestellten zweiten Gehäuse 14 angeordnet ist. Der Brennraum 8 ist seitlich durch ein rohrzylindrisches erstes Gehäuse 5 , oben durch einen oberen Ring 9 und unten durch einen unteren Ring 10 im Gehäuse 5 abgegrenzt. Der obere Ring 9 grenzt den Brennraum 8 gegen eine Düse 2 ab und der untere Ring 11 gegen einen Austrittsraum 11. Der Brennraum 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel gänzlich mit einer Schaumkeramik 4 gefüllt. Die Poren der Schaumkeramik sind in Quer- und Längsrichtung miteinander verbunden und lassen insbesondere so eine hervorragende Durchströmung und nahezu vollständige Verbrennung zu. Die Oberfläche der Schaumkeramik 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel vollständig mit einer aus CuO bestehenden katalytischen Schicht überzogen.FIG. 2 shows a partially schematic representation of a second exemplary embodiment according to the invention in the area of the combustion chamber 8, which is arranged in the second housing 14, which is not shown in this figure. The combustion chamber 8 is delimited laterally by a tubular cylindrical first housing 5, at the top by an upper ring 9 and at the bottom by a lower ring 10 in the housing 5. The upper ring 9 delimits the combustion chamber 8 from a nozzle 2 and the lower ring 11 from an outlet chamber 11. In this exemplary embodiment, the combustion chamber 8 is completely filled with a foam ceramic 4. The pores of the foam ceramic are connected to each other in the transverse and longitudinal directions and in particular allow an excellent flow and almost complete combustion. In this exemplary embodiment, the surface of the foam ceramic 4 is completely covered with a catalytic layer consisting of CuO.
Ein auszugsweiser Schnitt ist als Prinzipskizze in Fig. 3 dargestellt . Erkennbar sind die in den Trägerschaum 12 eingebetteten Poren 13.An excerpted section is shown as a basic sketch in FIG. 3. The pores 13 embedded in the carrier foam 12 can be seen.
Die Schaumkeramik ist z. B. durch Retikulieren des Trägerschaums 12, wie z.B. Polyurethanschaum, und anschließender Behandlung mit einer Siliziumkarbidsuspension, beispielsweise in Wasser suspendiertes Keramikpulver aus Siliziumkarbid, herstellbar.The foam ceramic is e.g. B. by reticulating the carrier foam 12, such as polyurethane foam, and subsequent treatment with a Silicon carbide suspension, for example ceramic powder made of silicon carbide suspended in water, can be produced.
Die Düse 2 nimmt an ihrem der Schaumkeramik 4 abgewandten axialen Ende Brennstoff, Restgas, Luft oder eine Mischung dieser Bestandteile • auf und mißt sie an ihrem unteren axialen Ende, welcher der Schaumkeramik 4 zugewandt ist, durch eine nicht dargestellte Öffnung in die Schaumkeramik 4 ein. Luft wird zudem über eine Luftzufuhr 3 dem Brennraum 8 bzw. der Verbrennung zugeführt. Auch die Einbringung eines Restgas-Luft- oder Restgas-Sauerstoff-Gemisches ist über die Luftzufuhr 3 möglich. Brennstoff, Restgas oder eine Mischung dieser Bestandteile entzündet sich mit Luft und/oder Sauerstoff bzw. reagiert chemisch im laufenden Betrieb an der heißen Oberfläche der Schaumkeramik .The nozzle 2 receives fuel, residual gas, air or a mixture of these components at its axial end facing away from the foam ceramic 4 and measures it at its lower axial end, which faces the foam ceramic 4, through an opening (not shown) into the foam ceramic 4 , Air is also fed to the combustion chamber 8 or the combustion via an air supply 3. The introduction of a residual gas-air or residual gas-oxygen mixture is also possible via the air supply 3. Fuel, residual gas or a mixture of these components ignites with air and / or oxygen or reacts chemically during operation on the hot surface of the foam ceramic.
Der Verbrennungsvorgang kann aber auch durch nicht dargestellte Zündeinrichtungen in Gang gebracht, bzw. aufrecht erhalten werden. Solche Zündeinrichtungen sind beispielsweise als nicht dargestellte elektrische Glühkerze oder Glühwendel zwischen Düse 2 und Schaumkeramik 4 angebracht. Es ist auch möglich, die Zündeinrichtung in der Schaumkeramik 4 anzubringen. Es ist ebenso denkbar, die Zündeinrichtung so zu gestalten, daß die gesamte Schaumkeramik 4, oder zumindest ein Teil davon, so elektrisch beheizt wird, daß dadurch eine Zündeinrichtung gebildet wird. Schließlich kann die Schaumkeramik 4 auch von außen oder durch die Implementierung von Drähten beheizt werden. Dadurch wird der erfindungsgemäße Betrieb der Nachbrenneinrichtung 1 möglich.The combustion process can also be started or maintained by ignition devices, not shown. Such ignition devices are installed, for example, as an electrical glow plug or filament (not shown) between the nozzle 2 and the ceramic foam 4. It is also possible to mount the ignition device in the foam ceramic 4. It is also conceivable to design the ignition device in such a way that the entire foam ceramic 4, or at least part of it, is electrically heated such that an ignition device is formed. Finally, the ceramic foam 4 can also be heated from the outside or by the implementation of wires. This enables operation of the afterburner 1 according to the invention.
Nach erfolgter Oxidation des Brennstoffes und/oder der Restgase, entweichen die Verbrennungsgase nach unten durch den unteren Ring 10 in den Austrittsraum 11, um dann hier durch Austrittsöffnungen 7 zu entweichen.After the oxidation of the fuel and / or the residual gases has taken place, the combustion gases escape downward through the lower ring 10 into the outlet space 11, in order to then escape through outlet openings 7 here.
Das erste Gehäuse 5 steht großflächig mit in dieser Figur nicht dargestellten Wärmetauschkanälen 18 in gutem wärmeleitendem Kontakt. Im Inneren der Schaumkeramik 4 verlaufen streifenförmige Wärmeleitelemente 23. Sie können beispielsweise auch rohrförmig oder zylinderrohrförmig sein. In diesem Ausführungsbeispiel verlaufen die Wärmeleitelemente 23 von oben nach unten, parallel zur Achse 22. Sie dienen zum Transport von Wärme in Bereiche innerhalb des ersten Gehäuses 5, welche sich beispielsweise in einer Kaltstartphase, relativ zu anderen Bereichen innerhalb des ersten Gehäuses 5, nur langsam erwärmen. Beispielsweise kann so Wärme von einem Bereich nahe des unteren Rings 10 in einen Bereich nahe des oberen Rings 9 geleitet werden. Zumindest ein Teil der Wärmeleitelemente 23 können auch durch den oberen Ring 9 hindurchgreifen und so beispielsweise die durch die Luftzufuhr 3 zugeführte Luft anwärmen, ebenso können sie durch den unteren Ring 10 greifen, um Wärmeenergie aus den Verbrennungsgasen abzuleiten. Die Wärmeleitelemente 23 sind so anzuordnen, daß sie möglichst nicht direkt mit den durch die Düse 2 zugemessenen Kraftstoffen beaufschlagt werden.The first housing 5 is in good heat-conducting contact over a large area with heat exchange channels 18, not shown in this figure. Strip-shaped heat-conducting elements 23 run inside the foam ceramic 4. For example, they can also be tubular or cylindrical-tubular. In this exemplary embodiment, the heat-conducting elements 23 run from top to bottom, parallel to the axis 22. They serve to transport heat into areas within the first housing 5, which, for example, only slowly in a cold start phase, relative to other areas within the first housing 5 heat. For example, heat can be conducted from an area near the lower ring 10 into an area near the upper ring 9. At least some of the heat-conducting elements 23 can also reach through the upper ring 9 and thus, for example, heat the air supplied by the air supply 3, and they can also reach through the lower ring 10 in order to derive thermal energy from the combustion gases. The heat-conducting elements 23 are to be arranged in such a way that they are not acted upon directly by the fuels metered through the nozzle 2.
Fig. 4 zeigt ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ähnlich dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 2. Jedoch weist dieses Ausführungsbeispiel zusätzlich die Rückführungsleitung 16 auf, welche die Verbrennungsgase über die Austrittsöffnung 7, das Austrittsrohr 15 und den Regler 17 in das untere Ende der Wärmetauschkanäle 18 leiten. Wie in Fig. 5 ersichtlich, verlaufen die Wärmetauschkanäle 18, im Ausführungsbeispiel , der Figuren 4 und 5 in einer Hälfte eines an einem Ende geschlossenen hohlzylindrisch geformten Rohres 21. Die Rohre 21 verlaufen von unter nach oben entlang der seitlichen Wandung des ersten Gehäuses 5 und sind thermisch mit dem Brennraum 8 bzw. dem ersten Gehäuse 5 gekoppelt. Das Rohr 21 wird durch eine den Rohrquerschnitt teilende Rohrwandung 24 in zwei Hälften geteilt, wobei die dem ersten Gehäuse 5 zuwandte Hälfte den Wärmetauschkanal 18 darstellt und die abgewandte Hälfte eine erste Abgasleitung 19. Die Rohrwandung 24 verläuft bis kurz vor das geschlossene Ende des Rohres 24 um eine Verbindung zwischen dem Wärmetauschkanal 18 und der ersten Abgasleitung 19 zu schaffen. Ansonsten trennt er die beiden Hälften des Rohres 21 hermetisch ab. Die Rohre 21 sind in gleichmäßigen Abständen radial um das erste Gehäuse 5 verteilt. Die Rohre 21 und das erste Gehäuse 5 sind von dem zweiten Gehäuse 14 umgeben, wobei die seitlichen Wandungen des zweite Gehäuses 14 insbesondere wärmeisolierend wirken.FIG. 4 shows a third exemplary embodiment according to the invention similar to the exemplary embodiment from FIG. 2. However, this exemplary embodiment additionally has the return line 16, which conduct the combustion gases via the outlet opening 7, the outlet pipe 15 and the regulator 17 into the lower end of the heat exchange channels 18. As can be seen in FIG. 5, the heat exchange channels 18, in the exemplary embodiment of FIGS. 4 and 5, run in one half of a hollow cylindrical tube 21 closed at one end. The tubes 21 extend from below upwards along the side wall of the first housing 5 and are thermally coupled to the combustion chamber 8 or the first housing 5. The pipe 21 is divided into two halves by a pipe wall 24 dividing the pipe cross section, the half facing the first housing 5 representing the heat exchange channel 18 and the opposite half being a first exhaust pipe 19. The pipe wall 24 extends until shortly before the closed end of the pipe 24 to establish a connection between to create the heat exchange channel 18 and the first exhaust pipe 19. Otherwise, it hermetically separates the two halves of the tube 21. The tubes 21 are distributed radially around the first housing 5 at regular intervals. The tubes 21 and the first housing 5 are surrounded by the second housing 14, the side walls of the second housing 14 acting in particular in a heat-insulating manner.
Der Regler 17 bestimmt die Menge des rückgeführten Verbrennungsgase und leitet sie über die RückführungsleitungThe controller 17 determines the amount of the recirculated combustion gases and directs them via the return line
16 in das untere Ende des Rohres 21 in die Wärmetauschkanäle16 in the lower end of the tube 21 in the heat exchange channels
18. Beispielsweise in einer Kaltstartphase wird die in den18. For example, in a cold start phase, the in the
Verbrennungsgasen enthaltene Wärme dem ersten Gehäuse 5 und damit dem Brennraum 8 und dem oberhalb des oberen Ringes liegenden Raum zugeführt. Die Verbrennungsgeschwindigkeit läßt sich dadurch in einer Kaltstartphase beschleunigen und dadurch die Kaltstartphase verkürzen. Insbesondere kann durch die zugeführte Wärme der zugemessene Kraftstoff leichter und schneller verdampfen. Über die erste Abgasleitung 19 verlassen die Verbrennungsgase dann dieCombustion gases contain heat supplied to the first housing 5 and thus to the combustion chamber 8 and the space located above the upper ring. The combustion speed can thereby be accelerated in a cold start phase and the cold start phase shortened as a result. In particular, the added fuel can evaporate more easily and quickly due to the heat supplied. The combustion gases then exit via the first exhaust line 19
Nachbrenneinrichtung 1. Die nicht rückgeführtenAfterburner 1. The non-recirculated
Verbrennungsgase werden über eine zweite Abgasleitung 20 ebenfalls aus der Nachbrenneinrichtung 1 be rdert.Combustion gases are also removed from the afterburner 1 via a second exhaust line 20.
Fig. 6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel ähnlich dem in den Figuren 4 und 5 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel. Die Rückführungsleitung 16 teilt die rückgeführten Verbrennungsgase jedoch in Wärmetauschkanäle 18 auf, welche durch den Brennraum 8 bzw. die Schaumkeramik 4 verlaufen. Die Wärmetauschkanäle 18 sind rohrzylindrisch geformt und Verlaufen durch die seitlichen Wandungen des ersten Gehäuses 5. Ein zweites Gehäuse 14 ist nicht vorhanden.FIG. 6 shows a fourth embodiment similar to the third embodiment shown in FIGS. 4 and 5. The return line 16, however, divides the returned combustion gases into heat exchange channels 18 which run through the combustion chamber 8 or the foam ceramic 4. The heat exchange channels 18 are of tubular cylindrical shape and run through the side walls of the first housing 5. A second housing 14 is not present.
Fig. 7 zeigt ein fünftes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit dem in dem zweiten Gehäuse 14 angeordneten ersten Gehäuse 5. Die rückgeführten Verbrennungsgase werden über die Rückführungsleitung 16 durch eine im zweiten Gehäuse 14 angeordnete erste Öffnung 25 in das Innere des zweiten Gehäuses 14 geführt und werden durch den zwischen den beiden Gehäusen gebildeten Wärmetauschkanal 18 zu einer zweiten Öffnung 26 des zweiten Gehäuses 14 geleitet. Dort verlassen die Verbrennungsgase über die erste Abgasleitung 19 die Nachbrenneinrichtung 1. Das erste Gehäuse 5 ist hermetisch gegen die rückgeführten Verbrennungsgase abgedichtet und nimmt beispielsweise in einer Kaltstartphase Wärme aus den rückgeführten Verbrennungsgasen auf. Dadurch werden der Brennraum 8 bzw. die Schaumkeramik 4, welche im Inneren des ersten Gehäuses angeordnete sind, aufgeheizt. FIG. 7 shows a fifth exemplary embodiment according to the invention with the first housing 5 arranged in the second housing 14. The recirculated combustion gases are conducted via the return line 16 through a first opening 25 arranged in the second housing 14 into the interior of the second housing 14 through the heat exchange channel 18 formed between the two housings to a second opening 26 of the second housing 14. There, the combustion gases leave the afterburner 1 via the first exhaust line 19. The first housing 5 is hermetically sealed against the returned combustion gases and, for example, absorbs heat from the returned combustion gases in a cold start phase. As a result, the combustion chamber 8 or the foam ceramic 4, which are arranged in the interior of the first housing, are heated.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zum Betreiben einer Nachbrenneinrichtung (1), insbesondere für chemische Reformer zur Gewinnung von Wasserstoff, zur Wärmebereitstellung aus Brennstoffen und/oder Restgasen aus einem Reformierungs- und/oder aus einem Brennstoffzellenprozeß, mit einer Düse (2) zum Einmessen von Brennstoff und/oder Restgasen und/oder Luft in einen zumindest teilweise mit einer Schaumkeramik (4) gefüllten Brennraum (8) sowie einer Austrittsöffnung (7) zur Ableitung der Verbrennungsgase, mit folgenden Verfahrensschritten: - Erfassen der Verbrennungsgeschwindigkeit im Brennraum (8) und/oder in der Schaumkeramik (4) ,1. A method for operating an afterburner (1), in particular for chemical reformers for the production of hydrogen, for providing heat from fuels and / or residual gases from a reforming and / or from a fuel cell process, with a nozzle (2) for measuring fuel and / or residual gases and / or air in a combustion chamber (8) at least partially filled with a foam ceramic (4) and an outlet opening (7) for discharging the combustion gases, with the following method steps: - detecting the combustion speed in the combustion chamber (8) and / or the foam ceramic (4),
Rückführen wenigstens eines Teils der Verbrennungsgase zu einem thermisch mit dem Brennraum (8) und/oder der Schaumkeramik (4) gekoppelten Wärmetauschkanal (18) und - Regeln des Anteils der rückgeführten Verbrennungsgase durch Veränderung der Menge der rückgeführten Verbrennungsgase .Returning at least some of the combustion gases to a heat exchange channel (18) thermally coupled to the combustion chamber (8) and / or the foam ceramic (4) and - regulating the proportion of the returned combustion gases by changing the amount of the returned combustion gases.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren einen Verfahrensschritt umfaßt, durch welchen die Verbrennungsgeschwindigkeit im Brennraum (8) und/oder in der Schaumkeramik (4) durch eine Temperaturmessung, insbesondere durch Infrarotlichtmessung, erfaßt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the method comprises a method step by which the combustion speed in the combustion chamber (8) and / or in the foam ceramic (4) by a Temperature measurement, in particular by infrared light measurement, is detected.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der rückgeführten Verbrennungsgase auf der Basis der festgestellten Verbrennungsgeschwindigkeit im Brennraum (8) und/oder der Schaumkeramik (4) geregelt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the amount of the returned combustion gases is regulated on the basis of the determined combustion speed in the combustion chamber (8) and / or the foam ceramic (4).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren einen Verf hrensschritt umfaßt, durch welchen die Zufuhr von Brennstoff, Restgas und/oder Luft abhängig von der erfassten Verbrennungsgeschwindigkeit geregelt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the method comprises a procedural step through which the supply of fuel, residual gas and / or air is regulated depending on the detected combustion rate.
5. Verfahrensschritt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei zu hoher Temperatur bzw. zu großer Verbrennungsgeschwindigkeit die Zufuhr von Luft durch die Luftzufuhr (3) bzw. der Luftanteil im Brennraum (8) erhöht wird.5. The method step according to claim 4, characterized in that the supply of air through the air supply (3) or the air portion in the combustion chamber (8) is increased at too high a temperature or too high a combustion rate.
6. Verfahrensschritt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren einen Verf hrensschritt umfaßt, durch welchen der Brennraum (8) und/oder die Schaumkeramik (4) elektrisch beheizt werden.6. The method step according to one of claims 1 to 5, characterized in that the method comprises a procedural step through which the combustion chamber (8) and / or the foam ceramic (4) are electrically heated.
7. Nachbrenneinrichtung (1); insbesondere für chemische Reformer zur Gewinnung von Wasserstoff, zur Wärmebereitstellung aus Brennstoffen und/oder Restgasen aus einem Reformierungs- und/oder aus einem Brennstoffzellenprozeß mit zumindest einer Düse (2) zur Zumessung von Brennstoff und Restgasen in einen in einem ersten Gehäuse (5) angeordneten Brennraum (8) und zumindest einer Luftzufuhr (3) , dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (8) zumindest teilweise mit einer hitzebeständigen offenporigen Schaumkeramik (4) gefüllt ist, welche zumindest teilweise mit einem katalytischen Material überzogen ist .7. afterburner (1); in particular for chemical reformers for the production of hydrogen, for the provision of heat from fuels and / or residual gases from a reforming and / or from a fuel cell process with at least one nozzle (2) for metering fuel and residual gases into one arranged in a first housing (5) Combustion chamber (8) and at least one air supply (3), characterized in that that the combustion chamber (8) is at least partially filled with a heat-resistant open-pore foam ceramic (4) which is at least partially covered with a catalytic material.
8. Nachbrenneinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytische Material aus ZnCuO und/oder CuO besteht .8. Afterburner according to claim 7, characterized in that the catalytic material consists of ZnCuO and / or CuO.
9. Nachbrenneinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumkeramik (4) zumindest teilweise aus Siliziumkarbid besteht.9. Afterburner according to claim 7 or 8, characterized in that the ceramic foam (4) consists at least partially of silicon carbide.
10. Nachbrenneinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumkeramik (4) durch Retikulieren offenporig gemacht ist.10. Afterburner according to one of claims 7 to 9, characterized in that the ceramic foam (4) is made open-pore by reticulation.
11. Nachbrenneinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumkeramik (4) elektrisch beheizbar ist.11. Afterburner according to one of claims 7 to 10, characterized in that the ceramic foam (4) is electrically heated.
12. Nachbrenneinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumkeramik (4) mit zumindest einem Teil des ersten Gehäuses (5) in gutem wärmeleitendem Kontakt steht.12. Afterburner according to one of claims 7 to 11, characterized in that the foam ceramic (4) with at least part of the first housing (5) is in good heat-conducting contact.
13. Nachbrenneinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des ersten Gehäuses (5) Wärmeleitelemente (23) verlaufen .13. Afterburner according to one of claims 7 to 12, characterized in that heat-conducting elements (23) run within the first housing (5).
14. Nachbrenneinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitelemente (23) aus Metall oder einer Metallegierung bestehen und in der Schaumkeramik (4) oder in dem Bereich der Luftzufuhr (3) verlaufen. 14. Afterburner according to claim 13, characterized in that the heat-conducting elements (23) consist of metal or a metal alloy and run in the foam ceramic (4) or in the area of the air supply (3).
15. Nachbrenneinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Nachbrenneinrichtung (1) zumindest eine Rückführungsleitung (16) zum Rückführen der bei der15. Afterburner according to one of claims 7 to 14, characterized in that the afterburner (1) at least one return line (16) for returning the at
Verbrennung entstehenden Verbrennungsgase in zumindest einenCombustion gases in at least one combustion
Wärmetauschkanal (18) aufweist, welcher mit dem BrennraumHas heat exchange channel (18) which with the combustion chamber
(8) bzw. der Schaumkeramik (4) thermisch gekoppelt ist und die Abgaswärme in den Brennraum (8), in die Schaumkeramik (4) und/oder in den Bereich der Luftzufuhr (3) leitet.(8) or the foam ceramic (4) is thermally coupled and conducts the exhaust gas heat into the combustion chamber (8), into the foam ceramic (4) and / or into the area of the air supply (3).
16. Nachbrenneinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachbrenneinrichtung (1) einen Regler (17) aufweist, der die Rückführung der bei der Verbrennung entstehenden Verbrennungsgase in den zumindest einen Wärmetauschkanal (18) regelt oder steuert.16. Afterburner according to claim 15, characterized in that the afterburner (1) has a controller (17) which regulates or controls the recirculation of the combustion gases formed during the combustion in the at least one heat exchange channel (18).
17. Nachbrenneinrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Wärmetauschkanal (18) aus Rohren (21), insbesondere in hohlzylindrischer Form, besteht.17. Afterburner according to claim 15 or 16, characterized in that the at least one heat exchange channel (18) consists of tubes (21), in particular in a hollow cylindrical shape.
18. Nachbrenneinrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Wärmetauschkanäle (18) radial um den Brennraum (8) parallel zu einer Achse (22) angeordnet ist .18. Afterburner according to one of claims 15 to 17, characterized in that at least part of the heat exchange channels (18) is arranged radially around the combustion chamber (8) parallel to an axis (22).
19. Nachbrenneinrichtung nach Anspruch 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Wärmetauschkanäle (18) durch den Brennraum (8) bzw. die Schaumkeramik (4) verläuft.19. Afterburner according to claim 15 to 17, characterized in that at least some of the heat exchange channels (18) through the combustion chamber (8) or the foam ceramic (4).
20. Nachbrenneinrichtung nach Anspruch 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Wärπtetauschkanal (18) den Abgasstrom auf und/oder um das erste Gehäuse (5) leitet. 20. Afterburner according to claim 15 to 17, characterized in that the at least one heat exchange channel (18) conducts the exhaust gas flow onto and / or around the first housing (5).
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