Brennersystem für ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit externer Verbrennung
Die Erfindung betrifft ein Brennersystem für ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit externer Verbrennung. Kraft-Wärme-Kopplungssysteme werden eingesetzt, um gleichzeitig Gebäude zu beheizen und Strom zu erzeugen. Sie können aus einer Wärmekraftmaschine aufgebaut sein, die einen Generator zur Erzeugung von Strom antreibt. Die Abwärme der Wärmekraftmaschine wird für Heizzwecke verwendet. Bei der Wärmekraftmaschine kann es sich um einen Verbrennungsmotor mit externer Verbrennung, beispielsweise einen Stirlingmotor, oder um einen thermoakustischen Generator handeln. In diesen Fällen weist die Wärmekraftmaschine eine Wärmesenke auf, die von einem Brennersystem zu beheizen ist. Dabei ist es energetisch vorteilhaft, wenn das Brennersystem in einem räumlich eng begrenzten Bereich eine möglichst hohe Temperatur erzeugt.
Für Kraft-Wärme-Kopplungssystem kommen als Brenner, die Bestandteil eines Brennersystems sind, vormischende Brenner oder Diffusionsbrenner in Frage. Diffusionsbrenner haben den Vorteil, dass die Restwärme im Abgas vollständig verwendet werden kann, um die Verbrennungsluft vorzuwärmen. Derartige Brenner sind als Rekuperationsbrenner bekannt. Das Vorwärmen des Verbrennungsluft-Brennstoffgemisches ist bei einem vormischenden Brenner nur sehr begrenzt möglich, da sich das Brennstoff-Luft-Gemisch ab der Zündtemperatur vorzeitig selbst entzünden würde.
Aus dem Stand der Technik sind Rekuperationsbrenner für die Beheizung von Öfen bekannt. Die Patentanmeldung DE 101 49 329 A1 offenbart einen Rekuperationsbrenner mit einer kompakten Brennkammer. Die für die Verbrennung benötigte Luft wird durch Rohre von einer Luftkammer zu dem Brennraum geführt. Dabei sind Kanäle, durch die die Luft geführt
wird, so angeordnet, dass ein Wärmetauscher gebildet wird, der die Wärme von den Abgasen auf die Luft überträgt. Der Brennstoff wird von einer gegenüber Brennkammer vorgesehenen Brennstoffkammer durch Rohre, die koaxial innerhalb der Rohre für die Luft vorgesehen sind, der Brennkammer zugeführt. Dieser Brenner kann zwar aufgrund der kompakten Brennkammer örtlich eine hohe Temperatur erzeugen, gibt jedoch aufgrund des großen Wärmetauschers auch in Bereichen, die nicht der Brennkammer zugeordnet sind, erhebliche Mengen an Wärme ab. Bei einem kompakten Wärmetauscher ist auch die Wärmeleitung und der Wärmeübergang geringer. Dies ist jedoch in einem Kraft-Wärme-Kopplungssystem unerwünscht. Die Wärme könnte zwar in dem Kraft-Wärme-Kopplungssystem als Heizwärme genutzt werden, dadurch wird jedoch das Verhältnis zwischen elektrischer Leistung und thermischer Leistung des Kraft-Wärme-Kopplungssystems verschlechtert. Andererseits könnte der Brenner in den Bereichen, die nicht der Brennkammer zugeordnet sind, isoliert werden. Dies geht jedoch auf Kosten des Bauraums.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, für ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem ein effizientes Brennersystem bereitzustellen, das kompakt aufgebaut ist und zugleich die Wärme bei hoher Temperatur in einem örtlich eng begrenzten Bereich zur Verfügung stellt.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass in dem Brenner ein Brennstoffkanalsystem gebildet wird, welches eine Brennstoffkammer umfasst, die sich isolierend um die Bereiche erstreckt, von denen keine Wärme nach außen geführt werden soll. Der Vorteil ist, dass das Bauvolumen, das der Zuführung des Brennstoffes zum Brennraum dient, zugleich als Isolierung benutzt wird. Dabei ist der Brennstoff bevorzugt ein Brenngas, kann aber erfindungsgemäß auch ein flüssiger Brennstoff sein. Ein weiterer Vorteil ist, dass der durch die Brennstoffkammer strömende Brennstoff die Verlustwärme abführt und so die Außenwand der Brennstoffkammer zusätzlich gekühlt wird. Darüber hinaus hat der erfindungsgemäße Brenner den Vorteil, dass zusätzlich zu der Luft auch der Brennstoff vorgewärmt wird und so zu einer Effizienzsteigerung führt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Brennersystem wird vorteilhaft in einem Kraft-Wärme- Kopplungssystem verwendet. Ebenfalls ist kann das erfindungsgemäße Brennersystem vorteilhaft in einem thermischen Wärmepumpensystem verwendet werden.
Die Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert.
Es stellen dar:
Figur 1 : das erfindungsgemäße Brennersystem für ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem, Figur 2: das Detail X des Brennersystems aus Figur 1 , Figur 3: das Detail Y des Brennersystems aus Figur 1.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen ein erfindungsgemäßes Brennersystem. Das Brennersystem um- fasst einen Brenner 1 und eine Wärmesenke 2. Die Wärmesenke 2 ist mit einer Wärmekraftmaschine mit externer Verbrennung, beispielsweise einem Stirlingmotor oder einem thermoakustischen Generator, verbunden bzw. ist Bestandteil der Wärmekraftmaschine. Die hier nicht dargestellte Wärmekraftmaschine wandelt die Wärmeenergie in mechanische und anschließend in elektrische Energie um. Somit bildet das Brennersystem und die Wärmekraftmaschine zusammen mit einem mit der Wärmekraftmaschine verbundenen Generator ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem.
Das Brennersystem umfasst ein Brennstoffkanalsystem 3, ein Luftkanalsystem 4 sowie ein Abgaskanalsystem 5. Das Brennstoffkanalsystem 3 sowie das Luftkanalsystem 4 sind innerhalb des Brenners 1 vorgesehen, das Abgaskanalsystem 5 erstreckt sich zusätzlich auch auf
die Wärmesenke 2. Der in dem Ausführungsbeispiel dargestellte Brenner 1 ist zylinderförmig aufgebaut. Es sind jedoch auch andere Bauformen möglich und erfindungsgemäß eingeschlossen.
Die für die Verbrennung benötigte Luft bzw. ein anderes sauerstoffhaltiges Gas wird von außen dem Luftkanalsystem 4 zugeführt. Die einströmende Luft verteilt sich zunächst in der Luftkammer, die an der der Wärmesenke gegenüberliegenden Seite des Brenners angeordnet ist. In der Luftkammer wird die Luft auf mehrere Rohre 14 verteilt, die die Luft ab Dichte und durch die Wärmetauscherkammer 8 führen. Die Rohre 14 und die Wärmetauscherkammer 8 bilden einen zweiten Wärmetauscher 7. In dem Wärmetauscher 7 nimmt die zugeführte Luft die Wärme des Abgases auf. Somit wird die Wärme des Abgases für den Verbren- nungsprozess zurück gewonnen. Der zweite Wärmetauscher 7 ist ebenfalls zylinderförmig aufgebaut.
Der für die Verbrennung benötigte Brennstoff wird von außen dem Brennstoffkanalsystem 3 zugeführt. Zunächst strömt der Brennstoff in eine den zweiten Wärmetauscher 7 umhüllende Brennstoffkammer 12 ein. Dadurch, dass die Brennstoffkammer 12 den zweiten Wärmetauscher 7 im Bereich des Zylindermantels und die Luftkammer 13 den zweiten Wärmetauscher 7 umhüllen, wird der zweite Wärmetauscher 7 gegenüber der Umgebung des Brenners 1 thermisch isoliert. Zusätzlich wird eine Übertragung von Wärme vom zweiten Wärmetauscher 7 auf die Umgebung dadurch verringert, dass Luft bzw. das durch die Kammern geleitet werden und zusätzlich Wärme abführen. Die Rohre 14 sind aus dem zweiten Wärmetauscher 7 auf der Seite der Wärmesenke herausgeführt und enden unmittelbar vor der Brennkammer 9. Die Brennkammer 9 wird in Richtung des zweiten Wärmetauschers 7 von einer Düsenplatte 1 1 abgeschlossen, welche mehrere Öffnungen 15 aufweist. Durch diese Öffnungen 15 kann einerseits der Brennstoff aus der Brennstoffkammer 12, die auf der gegenüberliegenden Seite an die Düsenplatte 1 1 angrenzt, in die Brennkammer 9 einströmen. Andererseits nimmt die Rohre 14 zur Zuführung der Luft im Bereich der Öffnungen 15, so dass
hier eine Mischzone 16 gebildet wird, in der sich Brennstoff und Luft mischen und verbrennen. Durch ein Abgaskanalsystem 5 werden die Abgase aus der Brennkammer 9 geleitet. Dazu strömen die Abgase zunächst über mehrere Teilekanäle zur Wärmesenke, wo sie einen ersten Wärmetauscher 6 bilden. In den ersten Wärmetauscher 6 wird die Wärme der Abgase auf die Wärmesenke 2 übertragen. Anschließend werden die Abgase umgelenkt und in Richtung der Brennkammer zurückgeführt, mittels eines Brennkammerkanals 10 abdichtend gegenüber der Brennkammer durch die Brennkammer hindurchgeführt und in die Brennstoffkammer 12 des zweiten Wärmetauschers 7 geleitet, um die restliche Wärme auf die durch die Rohre 14 strömende Luft zu übertragen. Am der Wärmesenke gegenüberliegenden Ende des Brenners 1 werden die Abgase anschließend durch eine Verbindung nach außen geführt und über einen hier nicht dargestelltes Abgassystem abgeführt.
Dadurch, dass die Luft in Form von Röhren durch die Wärmetauscherkammer 8 geführt werden, wird ein sehr hoher Anteil der Restwärme im Abgas auf die Luft übertragen. Dadurch ist eine sehr effiziente Verbrennung möglich. Zusätzlich wird auch Wärme vom zweiten Wärmetauscher 7 nach außen auf den durch die Brennstoffkammer 12 strömenden Brennstoff übertragen. Die am Wärmeübergang beteiligte Oberfläche sowie die die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffs beeinflussende Querschnittsfläche der Brennstoffkammer 12 sind so bemessen, dass einerseits möglichst viel Wärme abgeführt wird, andererseits der Brennstoff eine zulässige Maximaltemperatur, zum Beispiel bei Methan 500 bis 700 °C, nicht überschreitet, da sonst eine Vercrackung des Brennstoffs stattfindet.
Durch die erfindungsgemäße Bauweise wird ein sehr effizientes und zugleich sehr kompaktes Brennersystem bereitgestellt. Zudem lässt es sich sehr einfach aus gelochten Blechen und Rohren zusammensetzen, so dass das Brennersystem sehr einfach herstellbar ist. Insbesondere kann der zweite Wärmetauscher 7 formatiert und in ein unter Teil 18 eingebaut werden, welches dann in das Oberteil 17 eingeschoben wird. Das Oberteil 17 wiederum kann sehr einfach an die Wärmesenke 6 angeflanscht werden.
Bezugszeichenliste
1 Brenner
2 Wärmesenke
3 Brennstoffkanalsystem
4 Luftkanalsystem
5 Abgaskanalsystem
6 Erster Wärmetauscher
7 Zweiter Wärmetauscher
8 Wärmetauscherkammer
9 Brennkammer
10 Brennkammerkanal
1 1 Düsenplatte
12 Brennstoffkammer
13 Luftkammer
14 Rohr
15 Öffnung
16 Mischzone
17 Oberteil
18 Unterteil