EP2144004A2 - Brenner für den Einsatz in einem Gaskochfeld oder in einem Backofen - Google Patents

Brenner für den Einsatz in einem Gaskochfeld oder in einem Backofen Download PDF

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EP2144004A2
EP2144004A2 EP09164624A EP09164624A EP2144004A2 EP 2144004 A2 EP2144004 A2 EP 2144004A2 EP 09164624 A EP09164624 A EP 09164624A EP 09164624 A EP09164624 A EP 09164624A EP 2144004 A2 EP2144004 A2 EP 2144004A2
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EP
European Patent Office
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gas
burner according
mixture
burner
combustion
Prior art date
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EP09164624A
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English (en)
French (fr)
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EP2144004B1 (de
EP2144004A3 (de
Inventor
Jöm Friedrichs
Michael Riffel
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EGO Elektro Geratebau GmbH
Original Assignee
EGO Elektro Geratebau GmbH
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Publication date
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Publication of EP2144004A3 publication Critical patent/EP2144004A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24C—DOMESTIC STOVES OR RANGES ; DETAILS OF DOMESTIC STOVES OR RANGES, OF GENERAL APPLICATION
    • F24C3/00—Stoves or ranges for gaseous fuels
    • F24C3/04—Stoves or ranges for gaseous fuels with heat produced wholly or partly by a radiant body, e.g. by a perforated plate
    • F24C3/047—Ranges
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24C—DOMESTIC STOVES OR RANGES ; DETAILS OF DOMESTIC STOVES OR RANGES, OF GENERAL APPLICATION
    • F24C3/00—Stoves or ranges for gaseous fuels
    • F24C3/04—Stoves or ranges for gaseous fuels with heat produced wholly or partly by a radiant body, e.g. by a perforated plate
    • F24C3/06—Stoves or ranges for gaseous fuels with heat produced wholly or partly by a radiant body, e.g. by a perforated plate without any visible flame
    • F24C3/067—Ranges

Definitions

  • the invention relates to a burner for use in a gas hob or in an oven.
  • Gas cookers usually use standard atmospheric burners.
  • the gas / air mixture as a mixture is formed by the gas flows through a nozzle located below the burner and draws the primary combustion air in an injector.
  • the construction is carried out so that the mixture then emerges radially from a perforated ring and then burns open, wherein a portion of the ambient air as secondary air burns with.
  • a burner cap which forms the top of the burner. The burner cap is inactive, so it is transported over him as good as no heat to a pot above. This design causes the heat to be released to the pot only in the area of the open side flames.
  • the pot is heated mainly only in its edge region, while the overlying the burner cover center of the pot bottom less heated becomes.
  • Another disadvantage of the known standard atmospheric burner is the limited modulation range in which the gas / air mixture burns cleanly and stably.
  • surface burners are used in gas stoves, which are usually formed from a ceramic plate with honeycombed arranged, parallel capillaries. Such surface burners provide a homogeneous heat distribution over the entire surface.
  • a major disadvantage is that the combustion zone is defined and limited by the burner surface. As a result, only a corresponding pot size can be used for a particular burner size.
  • Another disadvantage is the relatively long heating and cooling of the ceramic plate due to their heat capacity.
  • the invention has for its object to provide a burner mentioned above, can be reduced or eliminated with the disadvantages of the prior art and in particular a better combustion and better heat generation can be achieved on an object to be heated, such as a pot.
  • the burner has a supply line for a mixture of fuel gas and combustion air, as is usually provided. This is followed by an open combustion zone for this mixture in which the mixture burns with an open flame.
  • a catalytically active and gas-permeable body is arranged between the gas supply line and the said combustion zone. The mixture flows through this body to the combustion zone. Due to the special catalytically active formation of the body, the mixture is already partially oxidized or burned on the catalyst in a first combustion stage. This partial oxidation or combustion, with a corresponding design of the burner, enables heat generation or heat generation in the region of the body itself and not only in the combustion zone, which is usually surrounding the body, ie annular. The body can then this heat to a pot or the like. give off, advantageously by direct heat conduction or contact heat.
  • the body has lateral outlets, which are adjoined by the open combustion zone or which pass into the open combustion zone.
  • the portion of the mixture that has not yet been burned within the body exits into the open combustion zone where it is mixed with secondary air and burned according to a conventional open-flame gas burner.
  • This combustion forms a second combustion stage, so to speak, while within the catalytically active body the first combustion stage takes place.
  • This two-stage combustion does not allow only an overall better or more efficient combustion of the mixture, in particular due to the catalytic properties of the gas-permeable body.
  • the body can serve both for gas distribution, as is already customary in gas burners, from the more point-like supply of the fuel gas to the body surrounding the annular combustion zone, as well as due to the first combustion occurring in it for heat generation within the annular open combustion zone.
  • heat transfer in the middle can take place, for example, in the case of a pot in its vicinity or even directly, and not only annularly. This also results in a better surface distribution of heat.
  • a catalytic burner which operates under normal atmospheric pressure for domestic and industrial use. It exhibits high energy efficiency due to the combined and simultaneous use of radiant and / or thermally conductive heating mechanisms together with the known convection mechanism by combustion gas, and is characterized by a significant reduction in pollutant emissions such as CO, unburned hydrocarbons and NO x .
  • the body can be made in one piece.
  • it has disc shape, particularly advantageous round disc shape.
  • the dimensions may be such that its diameter is four times to one hundred times, preferably five times to twenty times, as large as its thickness, thereby giving it a rather weak or strong flat shape.
  • the body may have a gas-tight upper side and / or a gas-tight underside.
  • At least one gas-tight bottom through which only the supply line can lead the mixture of fuel gas alone or fuel gas and combustion air prevented an undesired escape of mixture in a region, namely under the body, where this is not desired and also only a very unfavorable combustion would be possible.
  • a gas-tight top prevents the escape of mixture, where it also can not be burned and should not escape.
  • the function of the diversion of the mixture from the supply line to the combustion zone is improved by such gas-tight upper and lower sides.
  • a cover may advantageously be arranged.
  • This cover serves to complete this side of the body surface and / or gas-tight with the aforementioned advantages.
  • the cover is advantageously closed and may for example consist of metal such as stainless steel or the like, glass or glass ceramic or ceramic. Silicon-based ceramics are suitable here, for example silicon carbide or silicon nitride.
  • the cover can also be designed as a pot carrier, so as to park an aforementioned pot on it. Then you can do without an additional carrying frame.
  • the cover may be a continuous disc, which also laterally covers the gas-permeable body and thus also covers or covers the combustion zone.
  • glass or glass ceramic covers as well as the aforementioned ceramic covers.
  • the heating of a raised pot then takes place, on the one hand, through the annular area above the open combustion zone, whose generated heat radiates through the cover or also passes through as contact heat and heats the underside of the pot. In the central region of the pot is also heated by the heat generated in the first combustion stage, so that a large-area and not only annular heating is achieved.
  • the cover or the like good properties for heat transport from the combustion to a pot. having.
  • a heat transfer can take place in the form of heat conduction and / or thermal radiation.
  • a heat transfer in particular by means of heat radiation, take place in a furnace chamber of an oven mentioned above.
  • a carrier for the body In a further embodiment of the invention is located under the body, a carrier for the body. This carrier can also take over the aforementioned sealing function of the underside of the body, for which purpose it is disc-shaped and flat. Only the supply line for the fuel gas or mixture passes through the carrier.
  • a heat-insulating layer may be provided between the carrier and the body. This thermal insulation ensures that the heat generated during combustion goes in the direction in which it is desired, that is, for example, in the direction of a set up on the burner pot. Furthermore, this heat-insulating layer should be gas-tight, at least on its surface towards the body, so that no mixture can enter or escape through it.
  • the body such that the mixture flows from the inside, in particular centrally from the said gas supply line, to the outside to the combustion zone.
  • the gas should flow substantially parallel to the flat extent of the body. This also simplifies the gas-tight closure on the top and bottom of the body.
  • the burner has an ignition electrode and a monitoring electrode in the open combustion zone or very close thereto. These can be in combined form or training, so that the effort is less. Basically, such combined Ignition and monitoring electrodes known. As an alternative to a combined ignition and monitoring electrode can be used as a monitoring electrode and a thermocouple. Then a separate ignition electrode is necessary.
  • the burner advantageously has a round design, particularly advantageously by a round design of the gas-permeable body.
  • a round design of the gas-permeable body advantageously has an approximately equally long flow path from the supply line into the body is achieved up to the combustion zone.
  • the gas supply within the combustion zone is as even as possible.
  • such an adaptation to the usually round shape of a saucepan is optimal.
  • the burner in the horizontal plane or in plan view and in particular the gas-permeable body to have a different shape from the circular or circular shape, for example, be rectangular.
  • a circumferential ring is arranged with holes or slots as a kind of perforated ring.
  • a defined flame pattern can be generated in the open combustion zone, since the mixture emerges from respectively identical and exactly defined openings of the ring.
  • Such a wreath may consist of correspondingly heat-resistant metal.
  • the gas-permeable body itself can be formed integrally or monolithically in an embodiment of the invention.
  • the said gas line function is easily accessible.
  • it may have a foam-like structure, which serves as a substrate or base for the mentioned catalyst.
  • Such a body may for example consist of FeCrAlY, SiC, mullite, cordierite, Al 2 O 3 or ZrO 2 . Foaming of such materials is well known to those skilled in the art and does not pose a major technical problem.
  • the body may consist of a thick mat formed by threads or gauze. Similar to the aforementioned foam-like structure, the mat serves as a substrate for the catalyst. As materials for the mat, the aforementioned offer.
  • the application of the catalyst to the gas-permeable or textile or porous, foam-like structure of the body is carried out with customarily suitable catalysts in the usual manner.
  • immersion methods are suitable here in which a catalyst dissolved in liquid or a slip is applied and then solidified or hardened, advantageously at high temperatures.
  • a noble metal such as platinum, palladium or rhodium, a perovskite, an aluminate or a mixture of these materials may be used.
  • Suitable slurries include Al 2 O 3 , lanthanum-stabilized Al 2 O 3 or ZrO 2 .
  • heat radiation and direct heat conduction take place in the central region of the burner, resulting in a more efficient heating of the center of the pot.
  • Overheating of the edge areas of the pot is avoided as well as energy losses that result from the flames burn past the side of the pot.
  • the entire heat of combustion is better utilized and the efficiency is increased. This leads to shorter warm-up and cooking times and thus lower energy consumption.
  • the food gets a more uniform temperature distribution. Local heating or even burning of the food in the edge region of the pot, while it is still cold in a central region, is thus avoided.
  • Combustion within the body in the first combustion stage is more stable than open combustion in standard atmospheric burners. This generally increases the power modulation.
  • the first combustion can also be controlled well by the mixing ratio of gas and supplied air.
  • the control of the temperature of the catalyst in the partial oxidation can be achieved by adjusting the feed ratio ⁇ between air and fuel so that the oxygen of the fuel-primary air mixture is the limiting influence in any case. It determines the exact amount of heat generated on the catalyst and the amount of heat, the power dissipated to the pot by radiation and / or direct heat conduction.
  • the flame size can be easily varied due to the radial open secondary combustion by adjusting the fuel supply and optimally adapted to different pot sizes. It can be used on a burner different pot sizes and high Ankochsten and low heat retention performance can be set. Since part of the combustion reaction already takes place in the catalytically active body and thus locally separated from the open combustion in the second stage, lower combustion temperatures and thus lower NO x emissions. In general, less exhaust gases are produced in this two-stage combustion.
  • the partially converted gas mixture is characterized by a lower calorific value due to the previous heat release to the pot from radiation and / or direct heat conduction. It is therefore possible to reduce the pollutant emission of NO x in the exhaust gases of partially premixed atmospheric gas burners by reducing the adiabatic flame temperature of the mixture without using excess air or recirculation of exhaust gases and without increasing the emission of CO and unburned hydrocarbons.
  • the burner can also be used with fuels, such as hydrogen in pure or mixed form, which are characterized by extremely high adiabatic temperatures. Otherwise, these lead to the formation of large amounts of NO x during combustion in conventional flame diffusion burners.
  • the cover When using a cover of transparent to IR radiation glass material such as glass ceramic or the like. the proportion of radiation can be increased and made visually recognizable. The user sees, so to speak, the benefits of the central radiant heat. Furthermore, the cover can at least partially consist of the same material as the entire working surface of the gas hob and thus contribute to a continuous design. Alternatively, it may be made of a material with high radiation and heat conduction such as SiC, cast iron, stainless steel or iron-chromium alloys. The cover can also take over the function of the pot carrier. This can improve the cleanability of the hob and save the cost of additional pot carrier.
  • the burner concept according to the invention is so compact and flexible that it can also be used under a continuous glass or glass-ceramic cooktop panel. This offers advantages in the cleanability of the cooking surface. Even in an oven, the use of the burner according to the invention is possible.
  • FIG. 1 an inventive burner 17 is shown in sectional view and in Fig. 4 in exploded view.
  • the burner 17 has a supply line 2 in the manner of a pipeline for a mixture 1, which is composed of fuel gas and combustion air. This mixing of fuel gas and combustion air is provided in the usual manner in the supply line 2.
  • the feed line 2 leads the mixture 1 to a porous body 3 as a catalytic element, which, for example, according to the above description is foamy and consists of the materials mentioned above, such as ceramic or metal, for example a foamed ceramic. It is designed in the manner of a flat round disc and monolithic and provided with a catalyst. He points a macroporous structure with high vapor bubble content, which is preferably higher than 50%. Its pores have an average hydraulic diameter greater than 0.1 mm, and preferably less than 2 mm, and are connected by tortuous channels without preferential direction to form an open structure.
  • the body 3 is made of a material which does not participate in the significant oxidation here and has a high mechanical resistance to thermal shocks and preferably withstands temperatures of at least 1000 ° C. It should be chemically and physically inactive and not prone to oxidation, separation, evaporation or phase transition at said temperatures.
  • the ceramic substrate may, for example, be made of an oxide or a combination of oxides, preferably an oxide selected from Al 2 O 3 in the form of ⁇ -Al 2 O 3 , SiC, Si 3 N 4 , SiO 2 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , CaO, MgO or combinations thereof, advantageously in the form of ceramic foam.
  • the body 3 is made of metal resistant to oxidation at high temperatures, preferably a metal mixture selected from FeCrAlY, NiCr, Nichrome, Hastelloy X or Inconel 600-625. Then it is advantageous in the form of metal foam or gauze, so as a kind of tissue.
  • the structured macroporous substrate is primed for the body to increase the surface area for the catalyst and reduce the pore size of the substrate. This not only increases the surface area but also reduces the likelihood that molecules will pass through the catalyst without reacting on the surface.
  • a primer may be applied to the body as a coating of, for example, ⁇ -aluminum (gamma-aluminum) in an aqueous solution, allowing the aqueous solution to evaporate.
  • the primer applied as a thin layer on the body is preferably made of a refractory oxide with low thermal expansion and high chemical affinity to the material of the body.
  • the high surface area support layer is made of MgO, MgAl 2 O 4 , ZrO 2 , ⁇ -Al 2 O 3 , and may possibly be stabilized by La 2 O 3 , CeO 2 , SiO 2 , BaO, or other stabilizers containing one part between 5 wt.% and 10 wt.% of the total carrier layer.
  • the catalytically active phase on the macroporous body is chosen to be known to cause the reaction and production of synthetic gases by partial catalytic oxidation of hydrocarbons.
  • the catalytically active phase is formed from a mixture of metals consisting of the noble metals Pt, Pd, Rh, Ir, Re, Ru, Au, Ni, Ag and the transition metals V, Cr, Mn, Fe, Co. Particular preference is given to using Rh, Ni, Pt, Co, Fe, Cr and Mn, the proportion of which in the catalytically active phase may be between 0.01% by weight and 10% by weight.
  • the mixture 1 flows along the flow path 4 from the center of the body 3 each radially outward. Upwards to the mixture 1 can not escape from the body 3, since an upper cover 6, for example made of stainless steel or one of the aforementioned other materials on the body 3 is arranged.
  • the top cover 6 may also be attached to the body.
  • This carrier 5 can also, for example, made of stainless steel or other material similar to the top cover 6.
  • the mixture 1 feeding the burner consists of a mixture of gaseous hydrocarbon, CO, H 2 and mixtures of such fuels and primary air. They may be premixed in a manner known per se, for example by means of a radial venturi nozzle, which is not shown in the figures. It can exploit the fuel flow in a manner known per se in order to suck in the required amount of air and to mix it with the fuel without aids such as fans or the like.
  • the feed mixture 1 is characterized by a balanced ratio ⁇ which is always greater than 1 according to the stoichiometric conditions and preferably greater than ⁇ UFL , which defines the upper combustibility limit of the fuel used in air at room temperature and normal pressure.
  • ⁇ UFL which defines the upper combustibility limit of the fuel used in air at room temperature and normal pressure.
  • the amount of oxygen present in the mixture is lower than required for complete combustion and is preferably lower than required for ignition and / or stabilization of the flame. According to this latter aspect, the burner according to the present invention is actually safe, since any risk of flashback is avoided.
  • the flow path 4 leads the mixture 1 to the lateral outlets 7 on the peripheral side surface of the body 3.
  • the mixture 1 still secondary air 9 is added, as shown by the arrows.
  • a combustion zone 8 running around the body 3 or the burner 17 results, in which the mixture 1 enriched with secondary air 9 burns as an open flame 13.
  • This electrode 12 can both an ignition and a Be monitoring electrode, so have a dual function. Due to the body 3 annular surrounding combustion zone 8 and the open flames 13 are arranged in a ring and it results, as in a known gas burner, an annular flame ring for heating a standing above the burner 17 pot.
  • combustion and thus heat generation take place not only in the combustion zone 8, but already in the body 3 itself.
  • the mixture 1 is already partly burned in the body 3 in a first combustion stage, so that the open flames 13 in the combustion zone 8 outside the body 3 form only the second combustion stage.
  • heat is generated throughout the body. This goes up as heat radiation 11 through the top cover 6 to heat a pot above it.
  • thermal insulation 10 can be achieved that here, so to speak, no or only a very small heat dissipation takes place as a loss, so that almost the entire heat of the first combustion stage as heat radiation 11 and, of course, possibly as contact heat at the top Cover 6 can be brought up to a pot above it.
  • Fig. 2 also a the side outlet 7 of the body 3 covering the perforated ring 15 shown, which is formed by a metal strip. It has a multiplicity of outlet holes 14, through which the mixture 1 exits laterally downstream of the flow path 4 through the body 3, so that in each case an open flame 13 results per outlet hole 14.
  • the flame image can be defined and formed uniform.
  • the thermal power produced by the burner is determined, it is possible to control the ratio between the radiant heat and the direct contact heat by regulating the feed ratio ⁇ within the limits of a fuel rich mixture ⁇ > 1 and such that the temperature the body does not reach levels that can jeopardize its functionality, durability, integrity and mechanical stability.
  • the startup can be carried out by the ignition of a flame with a conventional ignition electrode 12 on the partially premixed mixture at the output of the burner.
  • the body 3 is preheated to a temperature which is above the limit value of the limit temperature for the ignition of the partial catalytic oxidation.
  • a modification of a burner 117 according to Fig. 3 does not have top cover accordingly Fig. 1 and 2 in about the size of the porous body, but a very large top cover 106.
  • This can, for example, an aforementioned glass ceramic plate or the like. may be the size of a conventional hob with, for example, about 60cm x 70cm.
  • a burner 117 is connected to the top of the porous body 103 directly to the bottom of the top cover 106 created so that here again the heat transfer function is achieved according to the previous explanation.
  • This burner 117 then forms in this area a cooking point 122, as it is known from glass ceramic cooktops with so-called radiant heaters and, for example, by an optical marking by coating or the like. may be marked on the top of the top cover 106.
  • an unillustrated pot accordingly Fig. 2 are placed, preferably centric to the burner 117 and the porous body 103rd
  • the open flames 113 in the combustion zone 108 do not directly heat a pot bottom by reaching it directly, but indirectly.
  • the heating effect is in fact carried out both by heat radiation from the flames 113, which passes through the appropriate choice of material for the top cover 106 unhindered through it upwards.
  • the flames 113 heat the top cover 106 in a wide annular area around the porous body 103, and this heat is applied as contact heat to the bottom of the pot placed on the cooking area 122.

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Abstract

Ein Brenner für den Einsatz in einem Gaskochfeld weist eine Zuleitung (2) für ein Gemisch (1) aus Brenngas und Verbrennungsluft auf und eine nachfolgende, offene Verbrennungszone (8) für das Gemisch. Zwischen der Gaszuleitung und der Verbrennungszone (8) ist ein katalytisch aktiver, gasdurchlässiger Körper (3) angeordnet, durch den das Gemisch zu der Verbrennungszone (8) strömt. Der Körper (3) ist ausgebildet zur teilweisen Verbrennung des Gemischs darin in einer ersten Verbrennungsstufe. Er weist seitliche Austritte (7) auf, an die sich die offene Verbrennungszone (8) anschließt, wobei sich das noch nicht vollständig verbrannte Gemisch in der offene Verbrennungszone (8) mit Sekundärluft (9) vermischt und in einer zweiten Verbrennungsstufe verbrennt.

Description

    Anwendungsgebiet und Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft einen Brenner für den Einsatz in einem Gaskochfeld oder in einem Backofen.
  • Bei Gasherden werden in der Regel atmosphärische Standardbrenner eingesetzt. Das Gas/Luftgemisch als Gemisch wird gebildet, indem das Gas durch eine unter dem Brenner befindliche Düse strömt und die primäre Verbrennungsluft in einem Injektor ansaugt. In der Regel ist die Konstruktion so ausgeführt, dass das Gemisch anschließend radial aus einem Lochkranz austritt und dann offen verbrennt, wobei ein Teil der Umgebungsluft als Sekundärluft mit verbrennt. Mittig auf diesem Lochkranz befindet sich ein Brennerdeckel, der nach oben hin den Abschluss des Brenners bildet. Der Brennerdeckel ist inaktiv, es wird also über ihn so gut wie keine Wärme zu einem Topf darüber transportiert. Diese Konstruktion führt dazu, dass die Wärmeabgabe zum Topf nur im Bereich der offenen seitlichen Flammen erfolgt. Infolgedessen wird der Topf hauptsächlich nur in seinem Randbereich erwärmt, während die über dem Brennerdeckel liegende Mitte des Topfbodens weniger erwärmt wird. Ein weiterer Nachteil der bekannten atmosphärischen Standardbrenner liegt in dem eingeschränkten Modulationsbereich, in dem das Gas/Luftgemisch sauber und stabil verbrennt.
  • In einer anderen Variante des Standardbrenners sind mehrere Lochkränze konzentrisch angeordnet. Mit dieser Ausführung lässt sich die Fläche des inaktiven Brennerdeckels reduzieren und gleichzeitig eine hohe Brennerleistung erreichen. Nachteile dieser Ausführung sind der hohe Aufwand für Material und Materialbearbeitung und die damit verbundenen erhöhten Herstell- und Montagekosten. Ein weiterer Nachteil ist die diffizile Luftführung zur Versorgung des inneren Lochkranzes.
  • Des weiteren werden Flächenbrenner in Gasherden eingesetzt, die in der Regel aus einer Keramikplatte mit wabenförmig angeordneten, parallelen Kapillaren gebildet sind. Solche Flächenbrenner bieten über die komplette Fläche eine homogene Wärmeverteilung. Ein wesentlicher Nachteil besteht darin, dass die Verbrennungszone durch die Brennerfläche festgelegt und begrenzt ist. Dadurch kann für eine bestimmte Brennergröße nur eine entsprechende Topfgröße verwendet werden. Ein weiterer Nachteil besteht in den relativ langen Aufheiz- und Abkühlzeiten der Keramikplatte aufgrund deren Wärmekapazität.
    • Aufgabe und Lösung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten Brenner zu schaffen, mit dem Nachteile des Standes der Technik reduziert oder beseitigt werden können und insbesondere eine bessere Verbrennung sowie bessere Wärmeerzeugung an einem zu erwärmenden Gegenstand wie beispielsweise einem Topf erreicht werden können.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Brenner mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im folgenden näher erläutert. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht. Des weiteren wird der Wortlaut der Prioritätsanmeldungen DE 102008033370.0 vom 8. Juli 2008 und DE 102008036566.1 vom 30. Juli 2008 derselben Anmelderin durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht.
  • Der Brenner weist eine Zuleitung für ein Gemisch aus Brenngas und Verbrennungsluft auf, wie es üblicherweise vorgesehen ist. Dahinter folgt eine offene Verbrennungszone für dieses Gemisch, in der das Gemisch mit einer offenen Flamme verbrennt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen der Gaszuleitung und der genannten Verbrennungszone ein katalytisch aktiver und gasdurchlässiger Körper angeordnet ist. Das Gemisch strömt durch diesen Körper zu der Verbrennungszone. Aufgrund der speziellen katalytisch aktiven Ausbildung des Körpers wird das Gemisch in einer ersten Verbrennungsstufe bereits darin teilweise oxidiert bzw. verbrannt an dem Katalysator. Diese teilweise Oxidation bzw. Verbrennung ermöglicht bei entsprechender Ausgestaltung des Brenners eine Wärmeentwicklung bzw. Wärmeerzeugung im Bereich des Körpers selber und nicht erst in der Verbrennungszone, die üblicherweise den Körper umgebend, also ringförmig, ausgebildet ist. Der Körper kann dann diese Wärme an einen Topf odgl. abgeben, vorteilhaft durch direkte Wärmeleitung bzw. Kontaktwärme.
  • Des weiteren weist der Körper erfindungsgemäß seitliche Austritte auf, an die sich die offene Verbrennungszone anschließt bzw. die in die offene Verbrennungszone übergehen. Der Teil des Gemischs, der noch nicht innerhalb des Körpers verbrannt worden ist, tritt in die offene Verbrennungszone aus und wird dort mit Sekundärluft vermischt und entsprechend einem üblichen Gasbrenner mit offener Flamme verbrannt. Dieses Verbrennen bildet sozusagen eine zweite Verbrennungsstufe, während innerhalb des katalytisch aktiven Körpers die erste Verbrennungsstufe stattfindet. Diese zweistufige Verbrennung ermöglicht nicht nur eine insgesamt bessere bzw. effizientere Verbrennung des Gemischs, insbesondere aufgrund der katalytischen Eigenschaften des gasdurchlässigen Körpers. Vor allem kann dabei der Körper sowohl zur Gasverteilung dienen, wie dies an sich bei Gasbrennern schon üblich ist, von der eher punktförmigen Zuleitung des Brenngases zu der den Körper ringförmig umgebenden Verbrennungszone, als auch aufgrund der in ihm erfolgenden ersten Verbrennung zur Wärmeerzeugung innerhalb der ringförmigen offenen Verbrennungszone. Dadurch kann beispielsweise bei einem in seiner Nähe oder sogar direkt aufgesetzten Topf auch eine Wärmeübertragung in der Mitte erfolgen, und nicht nur ringförmig. So erfolgt auch eine bessere Flächenverteilung der Wärme.
  • In besonderer Ausgestaltung der Erfindung wird ein katalytischer Brenner bereit gestellt, der mit unter normalem Atmosphärendruck arbeitet für den häuslichen und industriellen Gebrauch. Er weist aufgrund der kombinierten und gleichzeitigen Verwendung von strahlenden und/oder wärmeleitenden Heizmechanismen zusammen mit dem bekannten Konvektionsmechanismus durch Verbrennungsgas eine hohe Energieeffizienz auf, und zeichnet sich durch eine signifikante Reduzierung der Schadstoffemissionen wie beispielsweise CO, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und NOx aus.
  • In Ausgestaltung der Erfindung kann der Körper einteilig hergestellt sein. Vorteilhaft weist er Scheibenform auf, besonders vorteilhaft runde Scheibenform. Die Dimensionen können so sein, dass sein Durchmesser viermal bis einhundertmal, vorzugsweise fünfmal bis zwanzigmal, so groß ist wie seine Dicke, wodurch er eine eher schwach oder stark ausgebildete flache Form bekommt.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Körper eine gasdichte Oberseite und/oder eine gasdichte Unterseite aufweisen. Zumindest eine gasdichte Unterseite, durch die nur die Zuleitung das Gemisch aus Brenngas alleine oder Brenngas und Verbrennungsluft führen kann, verhindert ein ungewolltes Austreten von Gemisch in einem Bereich, nämlich unter dem Körper, wo dies nicht gewünscht ist und außerdem nur eine sehr unvorteilhafte Verbrennung möglich wäre. Eine gasdichte Oberseite verhindert ein Austreten von Gemisch, wo es ebenfalls nicht verbrannt werden kann und nicht austreten soll. Des weiteren wird durch solche gasdichten Ober- und Unterseiten die Funktion der Umleitung des Gemischs von der Zuleitung zu der Verbrennungszone verbessert.
  • Über dem Körper bzw. direkt auf dem Körper, also auf einer Flachseite, kann vorteilhaft eine Abdeckung angeordnet sein. Diese Abdeckung dient dazu, diese Seite des Körpers flächig und/oder gasdicht abzuschließen mit den vorgenannten Vorteilen. Dazu ist die Abdeckung vorteilhaft geschlossen und kann beispielsweise aus Metall wie Edelstahl odgl., Glas bzw. Glaskeramik oder Keramik bestehen. Hier bietet sich Silizium-basierte Keramik an, beispielsweise Siliziumcarbid oder Siliziumnitrid. Des weiteren kann die Abdeckung auch als Topfträger ausgebildet sein, um also einen vorgenannten Topf darauf abzustellen. Dann kann auf ein zusätzliches Tragegestell verzichtet werden.
  • In nochmals weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Abdeckung eine durchgängige Scheibe sein, die den gasdurchlässigen Körper auch seitlich überdeckt und somit auch die Verbrennungszone abdeckt bzw. überdeckt. Hier bieten sich Abdeckungen aus Glas oder Glaskeramik an, ebenso jedoch auch die vorgenannten Keramik-Abdeckungen. In diesem Fall kann bei einer Verwendung des Brenners in einem Gaskochfeld ein ähnlicher optischer Eindruck sowie eine ähnliche Funktion geschaffen werden wie bei einem Glaskeramik-Kochfeld mit durchgängiger Kochfeldplatte. Die Beheizung eines aufgestellten Topfes erfolgt dann einerseits durch die ringförmige Fläche über der offenen Verbrennungszone, deren erzeugte Wärme durch die Abdeckung hindurch strahlt bzw. auch als Kontaktwärme hindurch geht und die Unterseite des Topfes erhitzt. Im Mittelbereich wird der Topf durch die bei der ersten Verbrennungsstufe erzeugte Wärme ebenfalls beheizt, so dass eine großflächige und nicht nur ringförmige Beheizung erreicht wird. Allgemein und gerade in diesem Beispiel ist es von Vorteil, wenn die Abdeckung gute Eigenschaften für einen Wärmetransport von der Verbrennung zu einem Topf odgl. aufweist. Ein solcher Wärmetransport kann in Form von Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung stattfinden. Ebenso kann ein Wärmetransport, insbesondere mittels Wärmestrahlung, in einen Ofenraum eines eingangs genannten Backofens stattfinden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung befindet sich unter dem Körper ein Träger für den Körper. Dieser Träger kann auch die vorgenannte Dichtfunktion der Unterseite des Körpers übernehmen, wozu er scheibenartig und flächig ausgebildet ist. Lediglich die Zuleitung für das Brenngas bzw. Gemisch geht durch den Träger hindurch. In nochmals weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann zwischen dem Träger und dem Körper eine wärmeisolierende Schicht vorgesehen sein. Diese Wärmeisolierung sorgt dafür, dass die bei der Verbrennung entstehende Wärme in die Richtung geht, in der es gewünscht ist, also beispielsweise in Richtung eines auf den Brenner aufgestellten Topfes. Des weiteren sollte diese wärmeisolierende Schicht gasdicht sein, zumindest an ihrer Fläche zu dem Körper hin, so dass kein Gemisch in sie eintreten bzw. durch sie entweichen kann.
  • Bei einer Ausbildung der Erfindung ist es möglich, den Körper so auszubilden, dass das Gemisch von innen, insbesondere zentral von der genannten Gaszuleitung, nach außen zu der Verbrennungszone strömt. Dabei sollte das Gas im wesentlichen parallel zu der flachen Ausdehnung des Körpers strömen. Dies vereinfacht auch den gasdichten Verschluss an Oberseite und Unterseite des Körpers.
  • Vorteilhaft weist der Brenner in der offenen Verbrennungszone bzw. sehr nahe daran eine Zündelektrode und eine Überwachungselektrode auf. Diese können in kombinierter Form bzw. Ausbildung vorliegen, so dass der Aufwand dafür geringer ist. Grundsätzlich sind derartige kombinierte Zünd- und Überwachungselektroden bekannt. Alternativ zu einer kombinierten Zünd- und Überwachungselektrode kann als Überwachungselektrode auch ein Thermoelement eingesetzt werden. Dann ist eine separate Zündelektrode notwendig.
  • Der Brenner weist vorteilhaft eine runde Bauform auf, besonders vorteilhaft durch eine runde Ausbildung des gasdurchlässigen Körpers. Damit wird zum einen ein jeweils etwa gleich langer Strömungsweg von der Zuleitung in den Körper hinein bis zu der Verbrennungszone erreicht. So ist die Gasversorgung innerhalb der Verbrennungszone möglichst gleichmäßig. Des weiteren ist so eine Anpassung an die üblicherweise runde Form eines Kochtopfes optimal. Alternativ dazu kann, falls es der Einsatzzweck verlangt, der Brenner in horizontaler Ebene bzw. in Draufsicht und insbesondere der gasdurchlässige Körper dazu eine von der runden bzw. kreisrunden Form abweichende Form aufweisen, beispielsweise rechteckförmig sein.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist es möglich, dass an den seitlichen Austritten am gasdurchlässigen Körper ein umlaufender Kranz angeordnet ist mit Löchern oder Schlitzen als eine Art Lochkranz. So kann ein definiertes Flammenbild in der offenen Verbrennungszone erzeugt werden, da das Gemisch aus jeweils gleichen und jeweils genau definierten Öffnungen des Kranzes austritt. Ein solcher Kranz kann aus entsprechend wärmebeständigem Metall bestehen.
  • Der gasdurchlässige Körper selber kann bei einer Ausbildung der Erfindung einstückig bzw. monolithisch ausgebildet sein. Dadurch ist die genannte Gasleitungsfunktion gut erreichbar. Für die notwendige Gasdurchlässigkeit kann er eine schaumförmige Struktur aufweisen, die für den genannten Katalysator als Substrat bzw. Basis dient. Ein solcher Körper kann beispielsweise aus FeCrAIY, SiC, Mullite, Kordierit, Al2O3 oder ZrO2 bestehen. Das Schäumen derartiger Materialien ist für den Fachmann bekannt und stellt kein großes technisches Problem dar.
  • Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann der Körper aus einer dicken Matte bestehen, die von Fäden oder Gaze gebildet wird. Ähnlich wie die vorgenannte schaumförmige Struktur dient hier die Matte dem Katalysator als Substrat. Als Materialien für die Matte bieten sich die vorgenannten an.
  • Das Aufbringen des Katalysators auf die gasdurchlässige bzw. textile oder poröse, schaumartige Struktur des Körpers erfolgt mit üblicherweise geeigneten Katalysatoren auf übliche Art und Weise. Insbesondere Tauchverfahren sind hier geeignet, bei denen ein in Flüssigkeit oder einem Schlicker gelöster Katalysator aufgebracht wird und dann verfestigt bzw. gehärtet wird, vorteilhaft bei hohen Temperaturen. Als Katalysator kann ein Edelmetall wie Platin, Palladium oder Rhodium, ein Perowskit, ein Aluminat oder eine Mischung dieser Materialien verwendet werden. Geeignete Schlicker weisen Al2O3, Lanthan-stabilisiertes Al2O3 oder ZrO2 auf.
  • Bei der Erfindung finden im zentralen Bereich des Brenners Wärmestrahlung und direkte Wärmeleitung statt, so dass es zu einer effizienteren Erwärmung der Topfmitte kommt. Ein Überhitzen der Randbereiche des Topfes wird vermieden ebenso wie Energieverluste, die dadurch entstehen, dass Flammen seitlich am Topf vorbei brennen. Dadurch wird die gesamte Verbrennungswärme besser genutzt und der Wirkungsgrad wird erhöht. Dies führt zu kürzeren Aufwärm- und Kochzeiten und damit zu einem niedrigeren Energieverbrauch. Das Gargut erhält eine gleichmäßigere Temperaturverteilung. Eine lokale Erwärmung oder gar Verbrennung des Gargutes im Randbereich des Topfes, während es in einem mittleren Bereich noch kalt ist, wird also vermieden.
  • Eine Verbrennung innerhalb des Körpers in der ersten Verbrennungsstufe ist stabiler als die offene Verbrennung bei atmosphärischen Standardbrennern. Dadurch lässt sich generell die Leistungsmodulation erhöhen. Die erste Verbrennung lässt sich auch durch das Mischungsverhältnis von Gas und zugeführter Luft gut steuern.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Kontrolle der Temperatur des Katalysators bei der teilweisen Oxidation durch Einstellen des Einspeiseverhältnisses φ zwischen Luft und Brennstoff erreicht werden, so dass der Sauerstoff der Brennstoff-Primärluft-Mischung in jedem Fall die begrenzende Einflussgröße ist. Sie bestimmt die genaue Menge der an dem Katalysator erzeugten Wärme und die Menge der Wärme, die Verlustleistung die an den Topf durch Strahlung und/oder direkte Wärmeleitung übertragen wird.
  • Außerdem lässt sich die Flammengröße aufgrund der radialen offenen Sekundärverbrennung durch Einstellung der Brennstoffzufuhr einfach variieren und optimal an verschiedene Topfgrößen anpassen. Es können an einem Brenner unterschiedliche Topfgrößen verwendet sowie hohe Ankochleistungen und niedrige Warmhalteleistungen eingestellt werden. Da ein Teil der Verbrennungsreaktion bereits im katalytisch aktiven Körper und damit örtlich getrennt von der offenen Verbrennung in der zweiten Stufe abläuft, entstehen geringere Verbrennungstemperaturen und damit niedrigere NOx-Emissionen. Allgemein werden bei dieser zweistufigen Verbrennung weniger Abgase erzeugt.
  • Ein weiterer Vorteil der Durchführung der Verbrennung in mehreren Stufen besteht in der Reduzierung der adiabatischen Flammentemperatur des Brennstoffs. Tatsächlich zeichnet sich die teilweise umgewandelte Gasmischung durch einen niedrigeren Heizwert aus, was an der vorherigen Wärmeabgabe an den Topf durch Strahlung und/oder direkte Wärmeleitung liegt. Es ist daher möglich, die Schadstoffemission von NOx in den Abgasen von teilweise vorgemischten atmosphärischen Gasbrennern durch die Reduktion der adiabatischen Flammentemperatur der Mischung zu reduzieren, ohne Verwendung von überschüssiger Luft oder Rückführung von Abgasen und ohne Erhöhung der Emission von CO und unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Vorteilhaft kann der Brenner auch mit Brennstoffen benutzt werden, wie beispielsweise Wasserstoff in reiner oder gemischter Form, welche sich durch extrem hohe adiabatische Temperaturen auszeichnen. Diese führen nämlich sonst zur Bildung von großen Mengen von NOx während der Verbrennung in herkömmlichen Flammendiffusionsbrennern.
  • Bei Verwendung einer Abdeckung aus für IR-Strahlung transparentem Glasmaterial wie Glaskeramik odgl. kann der Strahlungsanteil erhöht und optisch erkennbar gemacht werden. Der Benutzer sieht sozusagen den Nutzen der zentralen Strahlungswärme. Des weiteren kann die Abdeckung zumindest teilweise aus dem gleichen Material wie die gesamte Arbeitsfläche des Gaskochfelds bestehen und somit zu einem durchgängigen Design beitragen. Alternativ kann sie aus einem Material mit hoher Abstrahlung und Wärmeleitung bestehen wie beispielsweise SiC, Gusseisen, Edelstahl oder Eisen-Chrom-Legierungen. Die Abdeckung kann auch die Funktion des Topfträgers übernehmen. Dadurch lassen sich die Reinigbarkeit des Kochfelds verbessern und die Kosten für zusätzliche Topfträger einsparen.
  • Das erfindungsgemäße Brennerkonzept ist so kompakt und flexibel, dass es eben auch unter einer durchgängigen Glas- oder Glaskeramik-Kochfeldplatte eingesetzt werden kann. Hierdurch bieten sich Vorteile bei der Reinigbarkeit der Kochfläche an. Auch in einem Backofen ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Brenners möglich.
  • Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
    • Fig. 1
    einen seitlichen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Brenner,
    Fig. 2
    eine Seitenansicht des Brenners aus Fig. 1 mit aufgesetz- tem Topf,
    Fig. 3
    eine Abwandlung des Brenners aus Fig. 1 mit großflächiger oberer Abdeckung und
    Fig. 4
    eine Explosionsdarstellung eines Brenners entsprechend Fig. 1.
    Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Brenner 17 dargestellt in Schnittdarstellung und in Fig. 4 in Explosionsdarstellung. Der Brenner 17 weist eine Zuleitung 2 nach Art einer Rohrleitung für ein Gemisch 1 auf, welches aus Brenngas und Verbrennungsluft zusammengesetzt ist. Diese Vermischung von Brenngas und Verbrennungsluft wird auf übliche Art und Weise in der Zuleitung 2 bereitgestellt.
  • Von unten führt die Zuleitung 2 das Gemisch 1 an einen porösen Körper 3 als katalytisches Element heran, der beispielsweise gemäß der obigen Beschreibung schaumförmig ist und aus den eingangs genannten Materialien wie Keramik oder Metall besteht, beispielsweise aus einer Schaumkeramik. Er ist nach Art einer flachen runden Scheibe und monolithisch ausgebildet sowie mit einem Katalysator versehen. Er weist eine makroporöse Struktur mit hohem Dampfblasengehalt, der vorzugsweise höher als 50% ist. Seine Poren weisen einen durchschnittlichen hydraulischen Durchmesser von mehr als 0,1 mm und vorzugsweise weniger als 2mm auf, und sind durch gewundene Kanäle ohne bevorzugte Richtung verbunden sind, um ein offenes Gefüge zu bilden.
  • Der Körper 3 ist aus einem Material hergestellt, welches an der hier bedeutsamen Oxidation nicht teilnimmt und eine hohe mechanische Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturschocks aufweist sowie vorzugsweise Temperaturen von mindestens 1000°C übersteht. Es sollte chemisch und physikalisch inaktiv sein und nicht zu Oxidation, Separation, Verdampfung oder Phasenübergang bei den genannten Temperaturen neigen. Das keramische Substrat kann beispielsweise aus einem Oxid oder einer Kombination von Oxiden hergestellt sein, vorzugsweise einem Oxid ausgewählt aus Al2O3 in Form von α-Al2O3, SiC, Si3N4, SiO2, ZrO2, Y2O3, CaO, MgO oder Kombinationen hieraus, vorteilhaft in Form von keramischem Schaum.
  • Alternativ ist der Körper 3 aus Metall hergestellt, das gegen Oxidation bei hohen Temperaturen resistent ist, vorzugsweise aus einem Metallgemisch ausgewählt aus FeCrAlY, NiCr, Nichrome, Hastelloy X oder Inconel 600-625. Dann liegt er vorteilhaft in Form von Metallschaum odergaze vor, also als eine Art Gewebe.
  • Vorzugsweise ist das strukturierte makroporöse Substrat für den Körper grundiert, um die Oberfläche für den Katalysator zu vergrößern und die Porengröße des Substrats zu verringern. Dabei wird nämlich nicht nur die Oberfläche vergrößert sondern auch die Wahrscheinlichkeit herabgesetzt, dass Moleküle den Katalysator passieren, ohne an der Oberfläche zu reagieren. Eine Grundierung kann als Überzug von beispielsweise γ-Aluminium (Gamma-Aluminium) in einer wässrigen Lösung auf den Körper aufgebracht werden, wobei man dann die wässrige Lösung verdunsten lässt.
  • Die als dünne Schicht auf dem Körper aufgebrachte Grundierung wird vorzugsweise aus einem feuerfesten Oxid hergestellt mit niedriger Wärmeausdehnung und hoher chemischer Affinität zu dem Material des Körpers. Insbesondere ist die Trägerschicht der großen Oberfläche aus MgO, MgAl2O4, ZrO2, γ-Al2O3 hergestellt und kann möglicherweise durch La2O3, CeO2, SiO2, BaO oder andere Stabilisatoren stabilisiert sein, die einen Anteil zwischen 5 Gew.% und 10 Gew.% an der gesamten Trägerschicht ausmachen. Die katalytisch aktive Phase auf dem makroporösen Körper wird so ausgewählt, dass sie bekanntermaßen die Reaktion und die Herstellung von synthetischen Gasen durch partielle katalytische Oxidation von Kohlenwasserstoffen bewirken. Sie kann die Reaktion der Umwandlung des Anteils der Kohlenwasserstoffe am Brennstoff in Teil-Oxidationsprodukte wie H2 und CO verbessern im Vergleich zur Umwandlung in völlige Oxidationsprodukte wie H2O und CO2. Bevorzugt ist die katalytisch aktive Phase aus einem Gemisch von Metallen ausgebildet, die aus den Edelmetallen Pt, Pd, Rh, Ir, Re, Ru, Au, Ni, Ag und den Übergangsmetallen V, Cr, Mn, Fe, Co bestehen. Besonders bevorzugt werden Rh, Ni, Pt, Co, Fe, Cr und Mn verwendet, deren Anteil an der katalytisch aktiven Phase zwischen 0,01 Gew.% und 10 Gew.% betragen kann.
  • Das Gemisch 1 strömt entlang des Strömungswegs 4 vom Mittelpunkt des Körpers 3 aus jeweils radial nach außen. Nach oben zu kann das Gemisch 1 nicht aus dem Körper 3 austreten, da eine obere Abdeckung 6 beispielsweise aus Edelstahl oder einem der vorgenannten sonstigen Materialien auf dem Körper 3 angeordnet ist. Die obere Abdeckung 6 kann auch an dem Körper befestigt sein.
  • Nach unten kann das Gemisch 1 aus dem Körper 3 nicht austreten, da sich direkt unter dem Körper 3 eine Wärmedämmung 10 nach Art einer Schicht befindet und unter dieser wiederum ein flächiger bzw. flacher Träger 5. Dieser Träger 5 kann beispielsweise ebenfalls aus Edelstahl oder einem sonstigen Material ähnlich wie die obere Abdeckung 6 bestehen.
  • Das Gemisch 1, das den Brenner speist, besteht aus einer Mischung von gasförmigem Kohlenwasserstoff, CO, H2 und Mischungen solcher Brennstoffe und Primärluft. Sie können auf an sich bekannte Weise vorgemischt sein, beispielsweise mittels einer radialen Venturidüse, die in den Figuren nicht dargestellt ist. Sie kann auf an sich bekannte Art und Weise den Brennstoffflusses ausnutzen um die benötigte Luftmenge anzusaugen und mit dem Brennstoff zu vermischen ohne Hilfsmittel wie Lüfter odgl..
  • Unter typischen Arbeitsbedingungen des Brenners zeichnet sich das eingespeiste Gemisch 1 durch ein ausgeglichenes Verhältnis φ aus, das immer größer als 1 ist entsprechend der stöchiometrischen Bedingungen und vorzugsweise größer als φUFL, welches das obere Brennbarkeitslimit des verwendeten Brennstoffs in Luft bei Zimmertemperatur und Normaldruck definiert. Mit anderen Worten ausgedrückt ist die Menge des in der Mischung vorhandenen Sauerstoffs niedriger als für die vollständige Verbrennung erforderlich und vorzugsweise niedriger als für die Entzündung und/oder Stabilisierung der Flamme erforderlich. Gemäß dieses letztgenannten Aspekts ist der Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung eigentlich sicher, da jedes Risiko eines Flammenrückschlags in ihn hinein vermieden wird.
  • Somit führt der Strömungsweg 4 das Gemisch 1 zu den seitlichen Austritten 7 an der umlaufenden Seitenfläche des Körpers 3. Dort tritt zu dem Gemisch 1 noch Sekundärluft 9 hinzu, wie durch die Pfeile dargestellt ist. Somit ergibt sich hier also eine um den Körper 3 bzw. den Brenner 17 verlaufende Verbrennungszone 8, in der das mit Sekundärluft 9 angereicherte Gemisch 1 als offene Flamme 13 verbrennt. Zum Zünden sowie zum Überwachen dieser offenen Flamme 13 dient eine Elektrode 12. Diese Elektrode 12 kann sowohl eine Zünd- als auch eine Überwachungselektrode sein, also eine Doppelfunktion haben. Aufgrund der den Körper 3 ringförmig umgebenden Verbrennungszone 8 sind auch die offenen Flammen 13 ringförmig angeordnet und es ergibt sich, wie bei einem bekannten Gasbrenner, ein ringförmiger Flammenkranz zur Erwärmung eines über dem Brenner 17 stehenden Topfes.
  • Gemäß der oben genannten Funktion des erfindungsgemäßen Brenners erfolgt eine Verbrennung und somit Wärmeerzeugung aber nicht erst in der Verbrennungszone 8, sondern bereits in dem Körper 3 selber. Aufgrund der katalytisch bedingten Aktivität des Körpers 3 wird das Gemisch 1 nämlich in einer ersten Verbrennungsstufe bereits in dem Körper 3 teilweise verbrannt, so dass die offenen Flammen 13 in der Verbrennungszone 8 außerhalb des Körpers 3 lediglich die zweite Verbrennungsstufe bilden. Durch die erste Verbrennungsstufe wird im gesamten Körper 3 Wärme erzeugt. Diese geht als Wärmestrahlung 11 durch die obere Abdeckung 6 nach oben, um einen darüber befindlichen Topf zu erhitzen. Durch die an der Unterseite des Körpers 3 vorgesehene Wärmedämmung 10 kann erreicht werden, dass hier sozusagen keine oder nur eine äußerst geringe Wärmeabstrahlung als Verlust erfolgt, so dass nahezu die gesamte Wärme der ersten Verbrennungsstufe als Wärmestrahlung 11 sowie natürlich auch möglicherweise als Kontaktwärme an der oberen Abdeckung 6 nach oben an einen darüber befindlichen Topf gebracht werden kann.
  • Dies ist in Fig. 2 dargestellt. Dabei ist es nämlich sogar möglich, einen Topf 20 direkt auf die obere Abdeckung 6 aufzusetzen. Somit wird also sowohl die Wärmestrahlung 11 als auch die Kontaktwärme an der oberen Abdeckung 6 an die Unterseite des Topfes 20 zu dessen Erhitzung gegeben. Des weiteren heizt natürlich entsprechend der üblichen Heizfunktion eines Gasbrenners der Kranz aus offenen Flammen 13 die Unterseite des Topfes 20.
  • Des weiteren ist in Fig. 2 auch ein den seitlichen Austritt 7 des Körpers 3 überdeckender Lochkranz 15 dargestellt, der von einem Blechstreifen gebildet wird. Er weist eine Vielzahl von Austrittslöchern 14 auf, durch welche das Gemisch 1 nach dem Strömungsweg 4 durch den Körper 3 seitlich austritt, so dass sich dann pro Austrittsloch 14 jeweils eine offene Flamme 13 ergibt. Damit kann das Flammenbild definiert und gleichmäßig ausgebildet sein. Damit lassen sich also gemäß der Darstellung in Fig. 2 ein besserer Wirkungsgrad für die Verbrennung des Gases bzw. Gemischs 1 erreichen sowie eine insgesamt mit größerer Fläche erfolgende Wärmeerzeugung.
  • Sobald die vom Brenner erzeugte thermische Leistung festgelegt ist, ist es möglich, das Verhältnis zwischen der Strahlungswärme und der direkten Kontaktwärme zu steuern, und zwar durch die Regulierung des Einspeiseverhältnisses Φ innerhalb der Grenzen eines brennstoffreichen Gemischs mit Φ> 1 und derart, dass die Temperatur des Körpers keine Werte erreicht, die seine Funktionalität, Haltbarkeit, Unversehrtheit und mechanische Stabilität gefährden können.
  • Aufgrund der spezifischen Ausgestaltung des genannten Brenners kann die Inbetriebnahme durch die Entzündung einer Flamme mit einer üblichen Zündelektrode 12 am teilweise vorgemischten Gemisch am Ausgang des Brenners durchgeführt werden. So wird der Körper 3 auf eine Temperatur vorgeheizt, die über dem Grenzwert der Grenztemperatur für die Zündung der teilweisen katalytischen Oxidation liegt.
  • Eine Abwandlung eines Brenners 117 gemäß Fig. 3 weist keine obere Abdeckung entsprechend Fig. 1 und 2 in etwa in der Größe des porösen Körpers auf, sondern eine sehr großflächige obere Abdeckung 106. Diese kann beispielsweise eine eingangs genannte Glaskeramikplatte odgl. sein, die die Größe eines üblichen Kochfeldes aufweisen kann mit beispielsweise etwa 60cm x 70cm. Ein Brenner 117 ist mit der Oberseite des porösen Körpers 103 direkt an die Unterseite von der oberen Abdeckung 106 angelegt, so dass hier wieder die Wärmeübertragungsfunktion entsprechend der vorherigen Erläuterung erreicht wird. Dieser Brenner 117 bildet dann in diesem Bereich eine Kochstelle 122, wie sie von Glaskeramik-Kochfeldern mit sogenannten Strahlungsheizkörpern bekannt ist und beispielsweise durch eine optische Markierung durch Beschichtung odgl. an der Oberseite der oberen Abdeckung 106 gekennzeichnet sein kann. Auf diese Kochstelle 122 kann dann ein nicht dargestellter Topf entsprechend Fig. 2 aufgesetzt werden, am besten zentrisch zu dem Brenner 117 bzw. dem porösen Körper 103.
  • Als weitere Besonderheit zu dem vorbeschriebenen Brenner heizen hier die offenen Flammen 113 in der Verbrennungszone 108 einen Topfboden nicht direkt, indem sie ihn direkt erreichen, sondern indirekt. Die Heizwirkung erfolgt nämlich sowohl durch Wärmestrahlung von den Flammen 113 ausgehend, die durch entsprechende Materialwahl für die obere Abdeckung 106 möglichst ungehindert hindurch nach oben geht. Des weiteren heizen die Flammen 113 die obere Abdeckung 106 in einem breiten kreisringförmigen Bereich um den porösen Körper 103 herum, und diese Wärme geht als Kontaktwärme an die Unterseite des auf die Kochstelle 122 aufgesetzten Topfes. Hier entspricht also der Mechanismus der Wärmeübertragung durch die obere Abdeckung 106 hindurch an die Unterseite eines Topfes eher demjenigen bei einem vorgenannten Glaskeramik-Kochfeld mit darunter angeordneten Strahlungsheizkörpern.

Claims (17)

  1. Brenner für den Einsatz in einem Gaskochfeld oder in einem Backofen mit einer Zuleitung (2) für ein Gemisch (1) aus Brenngas und Verbrennungsluft, und einer nachfolgenden, offenen Verbrennungszone (8) für das Gemisch, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Gaszuleitung und der Verbrennungszone (8) ein katalytisch aktiver, gasdurchlässiger Körper (3) angeordnet ist, durch den das Gemisch zu der Verbrennungszone (8) strömt, wobei der Körper (3) ausgebildet ist zur teilweisen Oxidation bzw. Verbrennung des Gemischs darin in einer ersten Verbrennungsstufe und wobei er seitliche Austritte (7) aufweist, an die sich die offene Verbrennungszone (8) anschließt, wobei sich das noch nicht vollständig verbrannte Gemisch in der offenen Verbrennungszone (8) mit Sekundärluft (9) vermischt und in einer zweiten Verbrennungsstufe verbrennt.
  2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) einteilig hergestellt ist, wobei er vorzugsweise Scheibenform aufweist, insbesondere mit einem Durchmesser, der viermal bis einhundertmal, vorzugsweise fünfmal bis zwanzigmal, größer ist als die Dicke.
  3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) eine gasdichte Oberseite und/oder gasdichte Unterseite aufweist, wobei vorzugsweise die Unterseite bis auf die Zuleitung (2) gasdicht ist.
  4. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über dem Körper (3) bzw. direkt darauf eine Abdeckung (6) angeordnet ist, die dazu ausgebildet ist, die Oberseite des Körpers flächig und/oder gasdicht abzuschließen, wobei sie vorzugsweise geschlossen ist, wobei insbesondere die Abdeckung (6) ausgebildet ist für einen Wärmetransport in Form von Wärmeleitung und/oder Strahlung (11) zu einem darüber befindlichen Kochgeschirr oder einem Ofenraum.
  5. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter dem Körper (3) ein Träger (5) angeordnet ist, der den Körper (3) trägt und die Unterseite bis auf die Zuleitung gasdicht abschließt, wobei vorzugsweise der Träger (5) den Körper (3) etwas überragt und wobei insbesondere zwischen Körper (3) und Träger (5) eine wärmeisolierende gasdichte Schicht (10) angeordnet ist.
  6. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) so ausgebildet ist, dass das Gemisch von innen von der Gaszuleitung nach außen zu der Verbrennungszone (8) strömt.
  7. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der offenen Verbrennungszone (8) eine Zündelektrode (12) und eine Überwachungselektrode angeordnet sind, wobei vorzugsweise Zündelektrode (12) und Überwachungselektrode kombiniert sind.
  8. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner in horizontaler Ebene eine runde Bauform aufweist, vorzugsweise mit runder Form des Körpers (3).
  9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner in horizontaler Ebene eine rechteckige Bauform aufweist, vorzugsweise mit rechteckiger Form des Körpers (3).
  10. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) einstückig bzw. monolithisch ausgebildet ist, wobei er vorzugsweise aus einer gewebeförmigen oder schaumförmigen Struktur mit Hohlräumen bzw. Poren besteht, wobei die Struktur dem Katalysator als Substrat dient, wobei insbesondere der Körper (3) makroporös ist mit einem hohen Anteil an Hohlräumen und wobei die Hohlräume bzw. Poren einen mittleren hydraulischen Durchmesser von mindestens 0,1mm aufweisen.
  11. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) aus mindestens einem Material der folgenden Gruppe besteht: FeCrAlY,NiCr, Nichrome,Hastelloy X, Inconel 600-625, SiC, Mullite, Kordierit, Al2O3 oder ZrO2, Al2O3, Si3N4, SiO2, ZrO2, Y2O3, CaO, MgO.
  12. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator für die katalytische Aktivität des Körpers (3) ein Edelmetall wie Pt, Pd, Rh, Ir, Re, Ru, Au, Ni, Ag oder ein Übergangsmetall wie V, Cr, Mn, Fe, Co, Cu oder eine Mischung dieser Materialien aufweist, wobei vorzugsweise deren Anteil am Gesamtgewicht der katalytisch aktiven Phase zwischen 0,01 Gew.% und 10 Gew.% beträgt und wobei insbesondere die katalytisch aktive Phase aus einer Mischung von Edelmetallen und Mischoxiden der Übergangsmetalle besteht.
  13. Brenner nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator in einem Schlicker dispergiert ist, vorzugsweise aus Al2O3, La-stabilisiertem Al2O3 oder ZrO2, und zusammen mit diesem Schlicker auf den Körper (3) aufgebracht ist.
  14. Brenner nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator als dünne Schicht auf dem Körper (3) mit großer Oberfläche aufgebracht ist, wobei er auf eine Grundierung aufgebracht ist, die aus MgO, MgAl2O4, ZrO2, γ-Al2O3 besteht und die vorzugsweise durch La2O3, CeO2, SiO2, BaO oder andere Stabilisatoren stabilisiert ist.
  15. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (6) aus Edelstahl oder Keramik, vorzugsweise Siliziumcarbid oder Siliziumnitrid, besteht, wobei sie vorzugsweise aus demselben Material besteht wie der Körper (3), wobei sie insbesondere während der Herstellung des Körpers (3) mit ihm verbunden worden ist.
  16. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (6) an einer Unterseite als Aufnahme bzw. Presssitz für den Körper (3) ausgebildet ist, insbesondere mit engem Kontakt zwischen Körper (3) und Abdeckung (6).
  17. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (6) als Topfträger ausgebildet ist um einen Topf (20) ohne ein zusätzliches Tragegestell direkt auf die Abdeckung (6) zu stellen, wobei vorzugsweise die Abdeckung (6) eine durchgängige Scheibe ist, die auch die offene Verbrennungszone (8) abdeckt bzw. überdeckt, insbesondere aus Glas oder Glaskeramik.
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