EP1715247A1

EP1715247A1 - Brenner

Info

Publication number: EP1715247A1
Application number: EP05008518A
Authority: EP
Inventors: Bernd Dr. Bitnar; Wilhelm Durisch
Original assignee: Scherrer Paul Institut
Current assignee: Scherrer Paul Institut
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2006-10-25

Abstract

In keramischen Brennern werden als Flammensperre (30) Keramiken verwendet die einen Rückschlag der Flammfront in das Zuführrohr (10) des Brenners verhindern. Diese sind jedoch aufwändig in der Herstellung und im Einbau in einen Brenner und weisen ein erhöhtes Bruchrisiko auf. In dieser Erfindung wird deshalb ein neuartiges Konzept eines Brenners vorgestellt, welches auf Porenbrennertechnik basiert und bei welchem eine zerstörungsresistentere, einfach herzustellende und einzubauende siebartige Flammensperre (30) einen Flammenrückschlag vermeidet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei herkömmlichen Brennern wird ein Gas-/Luft-Gemisch durch ein zentrales metallisches Brennerrohr geführt. Im oberen Teil ist das Brennerrohr perforiert. Oft ist das Brennerrohr von einem Gewebe zur Schallreduktion umwickelt. Von dem Brennerrohr strömt das Gemisch aus dem Rohr heraus in den Brennraum. In einem konventionellen Heizkessel heizen die Flammgase eine Kesselwand. Die Kesselwand wird durch das Rücklaufwasser gekühlt. So kann die Wandtemperatur relativ tief gehalten werden. Das hat zur Folge, dass keine Wärme in Richtung Brennerrohr abgestrahlt wird, wodurch dieses nicht übermässig erhitzt wird.
Aus verschiedenen Gründen ist es wünschenswert, Brenner einzusetzen, bei welchen die Verbrennung innerhalb eines hochtemperatur- und thermoschockbeständigen gasdurchlässigen Materials stattfindet, wie beispielsweise poröse, gasdurchlässige Keramiken, insbesondere Schaumkeramiken, gewickelte und imprägnierte Faserkeramiken oder imprägnierte Fasergestricke.
Zum einen kann auf diese Weise über die Porengrösse und die Porendichte die Verbrennungstemperatur eingestellt werden.
Durch Verbrennung bei einer niedrigeren Temperatur kann die Produktion von Schadstoffen wie NO_x oder CO reduziert werden.
Zum andern sind auch neue Konzepte gefragt, um stromautarke Heizsysteme zu ermöglichen, die mittels Thermophotovoltaik elektrische Energie gewinnen. Die Thermophotovoltaik dient der direkten Umwandlung von Wärmestrahlung in elektrische Energie. Die Hauptkomponenten dazu sind ein durch eine Flamme erhitzter Emitter, der Wärmestrahlung in vorwiegend dem gewünschten Wellenlängenbereich abstrahlt und ein Photozellengenerator, welcher die emittierte Wärmestrahlung in elektrischen Strom umwandelt.
Wird ein herkömmlicher Brenner mit einem perforierten Brennerrohr verwendet, so wird der Emitter im Gegensatz zu einer Kesselwand nicht durch das Rücklaufwasser gekühlt. Deshalb findet ein massiver Energietransport in Form von Wärmestrahlung von dem Emitter zum Brennerrohr statt. Dadurch kann dieses so stark erhitzt werden, dass es durch Anschmelzen und Oxidation zerstört wird.
Resistenz gegen eine Rückkopplung von Wärmestrahlung wird durch die Verwendung eines hochtemperaturbeständigen gasdurchlässigen Materials, anstelle eines Brennrohres ermöglicht. Die in solchen Brennern verwendeten Materialien, meist hochtemperatur- und thermoschockbeständige poröse, gasdurchlässige Keramiken sowie gewickelte und imprägnierte Faserkeramiken oder imprägnierte Fasergestricke, sind erheblich hitzeresistenter, als die bei konventionellen Brennern eingesetzten Metallrohre.
Aus der WO 00/46548 ist ein Brenner zur verbesserten Ausnutzung der Strahlungsenergie und der Wärmeenergie bekannt, mit einem Gehäuse, das einen Porenbrenner aufnimmt und zum Abgas-Auslass hin eine Abgaskammer bildet, bei dem das Gehäuse selbst als Wärmetauscher ausgebildet und mit einem zur Einströmseite des Porenbrenners führenden Einlass für ein Gas-Luft-Gemisch als Brennstoff versehen ist.
Aus der DE 195 27 83 C2 ist ein Brenner mit einem Gehäuse, das einen Einlass für ein Gas-/Luftgemisch als Brennstoff, einen Brennraum, eine Zündeinrichtung im Brennraum und einen Abgas-Auslass aufweist, bei dem der Teil des Brennraums, in dem sich die Flamme ausbreitet, vollständig mit einem porösen Material gefüllt ist, dessen Porösität sich längs der Flussrichtung des Gas-/Luftgemisches derart verändert, dass sich an der Grenzfläche oder in einer bestimmten Zone des porösen Materials eine kritische Peclet-Zahl durch Einstellen der Porengrösse ergibt, bei dem unterhalb dieser Porengrösse keine Flamme entstehen kann, darüber jedoch eine freie Entflammung stattfindet, wobei das poröse Material zumindest teilweise mittels einer räumlichen, zusammenhängende Hohlräume aufweisenden Packung aus hitzebeständigem Draht-, Folien- oder Blechmaterial zur Bildung einer definierten Flammenzone innerhalb der Packung gebildet ist.
Die bekannten Brenner bei denen die Verbrennung in einem porösen Material stattfindet, verwenden als Flammensperre zwischen Zuführrohr und dem porösen Material poröse Brennerplatten. Deren Funktionsweise basiert darauf, dass unterhalb einer kritischen Porengrösse des porösen Materials die Wärmeproduktion durch chemische Reaktion der Flamme kleiner ist, als die Wärmeabfuhr durch das poröse Medium. Die kritische Porengrösse wird mit Hilfe der Peclet-Zahl beschrieben, die das Verhältnis von Wärmeproduktion zu Wärmeabfuhr angibt.
Nachteilig an den porösen Brennerplatten als Flammensperre ist, dass diese durch mechanische Belastung leicht zu Bruch gehen können, und dass deren Herstellung und Einbau in den Brenner aufwändig ist. Auch verursacht die Verwendung von porösen Brennerplatten als Flammensperre einen erhöhten Staudruck im Zuführrohr, was zu vergleichsweise langen Ansprechzeiten des Brenners führt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Brenner zu ermöglichen, der einfach herzustellen und der resistent gegen thermische und mechanische Belastung ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Massnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
Dadurch, dass in Gasflussrichtung sich unmittelbar hinter der Flammensperre ein zumindest teilweise durch das gasdurchlässige Material begrenzter Hohlraum erstreckt und die Flammensperre siebartig ausgebildet ist, ergibt sich ein Brenner, der einfach herzustellen und der resistent gegen thermische und mechanische Belastung ist.
Mit einer solchen Konstruktion kann am Ort der Flammensperre ein Wärmestau vermieden werden. Auch resultiert eine reduzierte Wärmeeinstrahlung. Dadurch sind die Anforderungen an die Hitzeresistenz der Flammensperre geringer und es können anstelle von bruchanfälligen Keramiken auch siebartige Flammensperren, wie zum Beispiel Drahtgeflechte verwendet werden. Somit ergibt sich ein einfach herzustellender Brenner mit einer kostengünstigen Flammensperre, welche resistent gegen mechanische Belastungen und während des Betriebes des Brenners einer reduzierten thermischen und mechanischen Beanspruchung ausgesetzt ist.
Aufgrund der siebartigen Ausbildung wird der Staudruck im Brennerrohr reduziert und die Austrittsgeschwindigkeit aus der Flammensperre in den Brennraum erhöht. Bei einer solchen Bauweise kann die Flammensperre auch auf einem andern Prinzip als einer genügend kleinen Peclet-Zahl funktionieren: Bei genügend hoher Strömungsgeschwindigkeit ist die Flammfrontgeschwindigkeit kleiner als die Strömungsgeschwindigkeit des Gas-Luft Gemisches. Dies ermöglicht es, die Flamme in einem Abstand von der Flammensperre zu halten, wodurch die Temperatur der Flammensperre tiefer gehalten werden kann. Eine tiefere Temperatur eröffnet eine grössere Auswahl an möglichen Materialien für die Flammensperre.
Damit erhöht sich auch die Betriebssicherheit des Brenners, da die Beanspruchung während des Betriebs kaum zu einem Bruch und somit kaum zu einem Flammenrückschlag in das Zuführrohr führen kann.
Die folgenden Vorteile können sich einzeln oder in beliebiger Kombination untereinander zusätzlich ergeben:

i) Dadurch, dass die Flammensperre als Drahtgeflecht ausgebildet ist, lässt sie sich auf besonders einfache und kostengünstige Weise herstellen und in einen Brenner einbauen. Zudem ist sie erheblich resistenter gegen mechanische Beanspruchung, als eine poröse keramische Brennerplatte. Dies vereinfacht einerseits ihren Einbau in den Brenner, andererseits erhöht sich dadurch auch die Betriebssicherheit des Brenners, da eine mechanische Beanspruchung während des Betriebs kaum zu einem Bruch und somit kaum zu einem Flammenrückschlag in das Zuführrohr führen kann. Zudem kann der Staudruck im Brennerrohr reduziert und die Austrittsgeschwindigkeit aus der Flammensperre in den Brennraum erhöht werden. Bei einer solchen Bauweise kann die Flammensperre auch auf einem andern Prinzip als einer genügend kleinen Peclet-Zahl funktionieren: Bei genügend hoher Strömungsgeschwindigkeit ist die Flammfrontgeschwindigkeit kleiner als die Strömungsgeschwindigkeit des Gas-Luft Gemisches. Dies ermöglicht, die Flamme in einem Abstand von der Flammensperre zu halten, wodurch die Temperatur der Flammensperre tiefer gehalten werden kann.
ii) Dadurch, dass die Flammensperre aus Metall besteht oder Metall enthält, weist sie einerseits eine hohe Wärmeleitfähigkeit für die Wärmeabfuhr auf, andererseits handelt es sich bei Metall um ein Material, welches im Gegensatz zu Keramik wenig brüchig ist. Auch ist es möglich eine metallische Flammensperre mittels Punktauflagen zu befestigen um Wärmebrücken zu vermeiden.
Punktauflagen stellen bei Keramiken aufgrund der hohen lokalen Drücke ein erhebliches Bruchrisiko dar.
iii) Dadurch, dass das gasdurchlässige Material als Hohlkörper ausgebildet ist, kann der Hohlraum im Wesentlichen durch den Hohlkörper begrenzt werden, wodurch sich die Herstellung des Brenners leichter gestaltet.
iv) Die Herstellung und Montage des Brenners wird dadurch erleichtert, dass das gasdurchlässige Material zylinderförmig oder hohlzylinderförmig ausgebildet ist. Zudem ergibt sich ein gleichmässiges Abstrahlverhalten auf die Kesselwand respektive auf allfällig vorhandene Emitter oder Photozellen. Bei einer hohlzylinderförmigen Ausgestaltung ergibt sich zusätzlich der Vorteil, dass ein Bereich um die Achse des Hohlzylinders als Kanal für den Brennstofftransport fungieren kann. Dadurch ergibt sich eine gleichmässigere Verteilung des Brennstoffs entlang des Brennraumes. Insbesondere bei einem feinporigen gasdurchlässigen Material kann auf diese Weise vermieden werden, dass sich entlang der Achse des Hohlzyliners eine ungleichmässige Verteilung in der Brennstoffdichte und somit ein Gradient in der Temperaturverteilung ergibt.
v) Die Herstellung und Montage des Brenners wird dadurch erleichtert, dass das gasdurchlässige Material an einem Stab befestigt ist. Das gasdurchlässige Material kann auf diese Weise gut an dem Brenner befestigt werden, wodurch der Brenner vereinfacht in beliebigen Positionen (horizontal, vertikal) betrieben werden kann.
vi) Oft ist es wünschenswert, dass Wärmestrahlung nur radial, jedoch nicht axial abgegeben wird. Dies kann zum Beispiel beim Betrieb von Photozellen der Fall sein.
Diese sind normalerweise zylinderförmig um einen Emitter angeordnet. Durch das Vorhandensein einer Deckplatte können Bereiche abgeschattet werden, wodurch für nicht abgeschattete Bereich mehr Energie zur Verfügung steht.
vii) Dadurch, dass die Flammensperre gewölbt ist, lässt sie sich auf besonders einfache Weise in einem Rohr, welches einen kleineren Durchmesser als die Flammensperre hat mit Hilfe der Federwirkung der Flammensperre fixieren.
Besonders vorteilhaft ist die Fixierung in einer Nut.
viii) In Experimenten, die durch das Paul Scherrer Institut durchgeführt worden sind, haben sich hochtemperaturbeständige poröse Keramiken auf Basis von SiC, siliziuminfiltriertem Siliziumkarbid Si-SiC, Si₃N₄, Al₂O₃, ZrO₂, Y₂O₃, Yb₂O₃, Cordierit oder Mullit oder aus Mischungen derselben, oder als Faserkeramik auf Basis von Al₂O₃, SiO₂, Al₂O₃-SiO₂, Mullit oder SiC oder aus Mischungen derselben als besonders vorteilhafte Grundmaterialien für das gasdurchlässige Material erwiesen, dies aufgrund einer hohen Hitzebeständigkeit, eines geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einer hohen Wärmeleitfähigkeit dieser Materialien.
ix) Siliziumkarbide weisen den zusätzlichen Vorteil auf, dass sie sich leicht beschichten lassen. Für thermophotovoltaische Anwendungen ist dies besonders nützlich, da durch eine die Wellenlängeverteilung des abgestrahlten Lichts verändernde Beschichtung das abgestrahlte Spektrum an die Bandlücke der Photozellengeneratoren angepasst werden kann. Oxide der seltenen Erdmetalle weisen ein auf die gebräuchlichen Photozellen besonders angepasstes Abstrahlungsverhalten auf. Dies ist insbesondere bei Yb₂O₃ der Fall. In Versuchen hat sich zudem gezeigt, dass Yb₂O₃ unerwartet gut an Siliziumkarbid haftet.
x) Bei einer Verwendung von Siliziumkarbiden als gasdurchlässiges Material hat sich zudem gezeigt, dass sich eine geringe NO_x-Produktion ergibt. Dies ist auf das starke Abstrahlverhalten von Siliziumkarbiden und die daraus resultierende verringerte Verbrennungstemperatur zurückzuführen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1: Brenner mit hohlzylinderförmigem gasdurchlässigem Material und einer siebartigen Flammensperre in einer Ausführungsform der Erfindung;
Figur 2: Siebartig ausgebildete Flammensperre;
Figur 3: Siebartig ausgebildete Flammensperre;
Figur 4: Als Drahtgeflecht ausgebildete Flammensperre.

Figur 1 zeigt einen zylinderförmigen Brenner mit einem als Hohlzylinder ausgebildeten gasdurchlässigen Material 20 mit einer gewölbten siebartigen Flammensperre 30, die durch ihre eigene Federkraft in einer Nut 60 im Zuführrohr 10 arretiert ist. In Gasflussrichtung G, unmittelbar hinter der Flammensperre 30 erstreckt sich ein durch den Hohlzylinder gebildeter Hohlraum 80. Dieser ist zumindest Teil des Brennraums 70. Im Unterschied zum Hohlraum 80 kann sich der Brennraum 70 auch in das gasdurchlässige Material 20 erstrecken. Um eine Abstrahlung in axialer Richtung weg von dem Brenner zu vermeiden, ist am einen Ende des Brenners eine Deckplatte 50 angebracht. Das gasdurchlässige Material 20 und die Deckplatte 50 werden durch einen Stab 40 gehalten.
Figur 2 zeigt eine siebartige Flammensperre 30, die als Scheibe, respektive Zylinder mit zylinderförmigen durchgehenden Kanälen ausgebildet ist.
Figur 3 zeigt eine siebartige Flammensperre 30, die als Scheibe, respektive Zylinder mit durchgehenden Schlitzen ausgebildet ist.
Figur 4 zeigt eine siebartige Flammensperre 30, die als Drahtgeflecht ausgebildet ist.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

10: Zuführrohr
20: gasdurchlässiges Material
30: Flammensperre
31: Drahtgeflecht
40: Stab
50: Deckplatte
60: Nut
70: Brennraum
80: Hohlraum
G: Gasflussrichtung

Claims

Brenner, insbesondere für Heizanlagen, umfassend ein Zuführrohr (10) zur Brennstoffzufuhr, insbesondere zur Zufuhr eines Gas-Luft Gemisches, einen Brennraum (70), welcher gasdurchlässiges Material (20) umfasst und/oder welcher zumindest teilweise durch gasdurchlässiges Material (20) begrenzt wird und eine Flammensperre (30),
dadurch gekennzeichnet, dass
in Gasflussrichtung (G) sich unmittelbar hinter der Flammensperre (30) ein zumindest teilweise durch das gasdurchlässige Material (20) begrenzter Hohlraum (80) erstreckt und die Flammensperre (30) siebartig ausgebildet ist.
Brenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Flammensperre (30) als Drahtgeflecht (31) ausgebildet ist.
Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Flammensperre (30) aus Metall besteht oder Metall umfasst.
Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das gasdurchlässige Material (20) als Hohlkörper ausgebildet ist.
Brenner nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das gasdurchlässige Material (20) zylinderförmig oder hohlzylinderförmig ausgebildet ist.
Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das gasdurchlässige Material (20) an einem Stab (40) befestigt ist.
Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
an dem der Flammensperre (30) gegenüber liegenden Ende gasdurchlässigen Materials (20) eine Deckplatte (50) angebracht ist.
Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Flammensperre (30) gewölbt ist.
Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Flammensperre (30) in einer Nut (60) fixiert ist.
Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das gasdurchlässige Material (20) als poröse Keramik auf Basis von SiC, siliziuminfiltriertem Siliziumkarbid Si-SiC, Si₃N₄, Al₂O₃, ZrO₂, Y₂O₃, Yb₂O₃, Cordierit oder Mullit oder aus Mischungen derselben, oder als Faserkeramik auf Basis von Al₂O₃, SiO₂, Al₂O₃-SiO₂, Mullit oder SiC oder aus Mischungen derselben ausgeführt ist.
Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das gasdurchlässige Material (20) eine die Wellenlängeverteilung des abgestrahlten Lichts verändernde Beschichtung aufweist.
Brenner nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Beschichtung ein Oxid der Seltenen Erdmetalle umfasst.
Brenner nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Beschichtung Yb₂O₃ umfasst.