Patentanmeldung
Porenbrenner mit Siliziumkarbid-Porenkörper
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Porenbrenner zum Verbrennen eines Brennstoff-Luft- Gemisches zur Erzeugung eines heißen Rauchgases, enthaltend ein Gehäuse, in welchem ein Porenmaterial aus porösem, hochtemperaturfestem Siliziumkarbid (SiC) für eine
Verbrennung vorgesehen ist.
Ein solcher Porenbrenner wird zum Beispiel eingesetzt, um einen Dampfüberhitzer mit einem heißen Rauchgasstrom zu beaufschlagen. Der in dem Dampfüberhitzer entstehende Dampf hat hohe Temperaturen und steht unter starkem Druck. Die in dem Dampf gespeicherte Energie kann dann in Form von mechanischer bzw. elektrischer Energie nutzbar gemacht werden, z. B. durch Entspannung in einer Expansionsmaschine zum Antrieb eines Generators. Je heißer der Dampf und je höher der Druck, um so besser ist der Wirkungsgrad solcher Maschinen. Entsprechend ist es erforderlich, dass der Rauchgasstrom möglichst hohe Temperaturen aufweist. Typische Temperaturen liegen im Bereich zwischen 850°C und 1400°C.
Die Porenbrenner zur Erzeugung eines heißen Rauchgasstroms unterscheiden sich insbesondere von einem reinen Strahlungsbrenner, bei dem nur die Strahlungswärme des Brenners genutzt wird und das entstehende Rauchgas als Nebenprodukt über einen
Kamin oder ein Abluftrohr abgezogen wird. Solche Strahlungsbrenner sind zum Beispiel künstliche Kaminfeuer oder Strahlungsbrenner zum Trocknen von Lackierungen. Zwar kann auch die Strahlungswärme eines Porenbrenner genutzt werden, der wesentliche
Anteil der auf den Dampferzeuger übertragenen Energie kommt jedoch aus dem Rauchgas.
Stand der Technik
Aus der DE 199 39 951 C2 ist ein Porenbrenner zur Verbrennung eines Brermstofr7O-ddationsmittelgemiscb.es bekannt. Der Porenbrenner ist mit kugelförmigen Füllkörpern gefüllt. Die Größe der entstehenden Poren ist durch die Größe der Füllkörper bestimmt. Der bekannte Porenbrenner ist so ausgelegt, dass durch ein zusätzliches Kühlgas eine zu hohe Temperatur im Reaktionsraum vermieden wird.
Aus der DE 195 27 583 C2 ist ein Porenbrenner bekannt, der poröses Material enthält, welches räumlich zusammenhängende Hohlräume aufweist, die von einer Packung aus hitzebeständigem Draht- Folien- oder Blechmaterial gebildet sind. In diesen Hohlräumen bildet sich eine definierte Flammenzone. Das Material ist für hohe Temperaturen nicht geeignet.
Es sind weiterhin Pόrenbrenner bekannt, die mit einer Keramik gefüllt sind, die eine Vielzahl von Hohlräumen auf eisen, z. B. aus der US 5,890,886. Es sind auch andere Schaumkeramiken, Metallschäume oder -schwämme bekannt, z. B. aus der DE 196 21
638 AI. Diese Schäume oder Schwämme weisen den Nachteil auf, dass sie teuer in der Herstellung sind. Außerdem sind sie sehr empfindlich gegenüber mechanischen und thermischen Belastungen. Sie reißen oder platzen bei übermäßiger Belastung, was zu verminderter Leistungsfähigkeit und vermehrtem Schadstoffausstoß führt.
Aus der DE 198 47 042 AI ist eine hochporöse Brennermatte bekannt, die aus metallischen oder keramischen Fasern besteht, welche in unregelmäßigen Strukturen miteinander verschweißt sind. Die Matte ist mit Löchern versehen, durch welche das Gas strömt. Es entstehen Bereiche unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten, durch welche ein unregelmäßiger Fla menteppich entsteht, der von der Oberfläche der Matte abhebt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Porenbrenner zu schaffen, der eine gleichmäßige Verbrennung aufweist und dessen Porenstniktur direkt im Herstellraigsprozess beeinffαssbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Porenkörper siliziertes Kohlenstoffgewebe umfasst, welches eine geordnete, regelmäßige Struktur aufweist. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass sich die Eigenschaften eines Porenbrenners beeinflussen lassen, wenn die Porenstruktur gezielt herstellbar ist. Ein Verweben des harten und spröden Materials Siliziumkarbid ist nicht möglich. Durch Silizieren eines geeignet geformten Kohlenstoffgewebes ist es jedoch möglich, eine entsprechend gestaltete Gewebestruktur aus SiC zu schaffen. Das silizierte Gewebe ist kostengünstig herstellbar. Es hält mechanischen und thermischen Belastungen sehr gut stand. Die Maschenweite und flächige Form des Gewebes ist ebenso individuell anpassbar wie dessen Größe und Umrisse, so dass bei Verwendung derartiger Materialien als Porenkörper für Porenbrenner eine Optimierung der Brennereigenschaften möglich ist.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist das Gewebe aus Siliziumkarbid eine von einer Planfiäche abweichende Form auf. Dann kann eine Mehrzahl von Gewebestücken aufeinander geschichtet werden. Auf diese Weise wird ohne zusätzliche Abstandshalter oder dergleichen eine dreidimensionale Anordnung geschaffen, mit welcher der Porenbrenner füllbar ist.
Das Gewebe kann wellenförmig geformt sein. Es sind aber auch andere Formen möglich, wie ein im Querschnitt sägezahnförmiges oder kastenförmiges Profil. Um eine kleine Porengröße zu erhalten, können dann zum einen die Gewebeparameter klein gehalten werden und zum anderen die Wellenform aus einer Vielzahl von kleinen Wellen zusammengesetzt werden.
Das Gewebe kann aus vollständig silizierten Fasern bestehen. Für einige Anwendungen kann es aber auch sinnvoll sein, dass das Gewebe teilsiliziert ist, und einen Kern aus reinem Kohlenstoff enthält.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die geordneten Strukturen so ausgelegt sind, dass sich Zonen unterschiedlicher Porosität ausbilden. Dabei kann der poröse Körper des Brenners in zwei oder mehr Zonen unterschiedlicher Porengröße ausgebildet sein. Der einlassseitige Teil des porösen Körpers weist dann eine kleinere
Porengröße als der auslassseitige Porenkörper auf. Bei dieser Ausgestaltung bildet sich die Flamme in der grobporigen Zone, während in der feinporigen Zone eine Mischung und Vorheizung des Brennstoff-Luft-gemischs stattfinden. Dies führt zu besonders niedrigem Schadstoffgehalt des Rauchgases bei Verbrennung der üblichen Brennstoffe, wie Erdgas, Benzin oder dergleichen. Die Porengröße kann durch die ausgewählten
Gewebe und deren Anordnung, wie z. B. Stapelung, besonders gut gestaltet werden.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der feinporige Teil aus herkömmlichen Poren bildenden Werkstoffen hergestellt, während der grobporige Teil aus siliziertem Kohlenstoffgewebe besteht. Der Werkstoff des feinporigen Teils ist vorzugsweise schlecht leitend, so dass ein Wärmeübergang aus der Verbrennungszone in die Vormischzone vermieden wird. Auf diese Weise wird einem Rückschlagen der Flammen vorgebeugt.
Die Krümmungsachsen der Wellen eines Gewebestücks können in einer Ebene liegen und die Gewebestücke derart übereinander angeordnet sein, daß die Projektionen der Wellennormalen auf eine solche durch die Krümmungsachsen definierte Ebene senkrecht zueinander verlaufen. Vorzugsweise bilden die Wellennormalen dann jeweils einen Winkel von etwa 45° zur Strömungsrichtung des Rauchgases. Eine Wellennormale ist hier die Senkrechte auf einer Wellenfront. Sie liegt in der durch die Krümmungsachsen definierten Ebene. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird die Porenstruktur aus gestapelten wellenförmigen SiC-Matten gebildet. Dabei sind die einzelnen Ebenen mit einem Winkel von etwa 90° gegeneinander verdreht angeordnet. Diese Anordnung ist für das Verbrennungsverhalten des Brenners besonders günstig. Die so durchströmte Struktur wird als statischer Mischer bezeichnet. Der Brennstoff und die Verbrennungsluft werden dabei so miteinander vermengt, dass der Kraftstoff besonders schadstoffarm und vollständig verbrannt wird.
Vorzugsweise ist das Gehäuse des Brenners mit einer isolierenden Schicht versehen. So wird ein ungewünschter konvektiver Wärmeübergang durch das Gehäuse in die Peripherie des Brenners vermieden.
Alternativ kann die Gehäusewandung von einem Kühlmedium durchströmt sein, das entweder getrennt in die Umwelt abgeführt oder mit dem heißen Rauchgas im Auslassbereich des Brenners vermischt wird.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig.1 ist eine schematische Darstellung eines Porenbrenners
Fig.2 zeigt einen Ausschnitt aus einem wellenförmig geformten Gewebestück aus
Siliziumkarbid
Fig.3 ist Schnitt durch einen schematisch dargestellten Porenbrenner
Fig.4 ist eine Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 3 und zeigt den Auslass eines
Porenbrenners
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Fig.l ist schematisch ein Porenbrenner 10 dargestellt. Der Porenbrenner besteht aus einem Gehäuse 12, in welches ein Brenngas-Luftgemisch eingeleitet wird. Die Strömungsrichtung des einströmenden Gases ist durch die Pfeile 14 dargestellt. In dem Gehäuse 12 sind eine Vielzahl von Gewebestücken 16 aufeinander geschichtet. In einer ersten Zone 18 sind die Poren kleiner und in einer zweiten Zone 20 sind die Poren größer. Das poröse Material der ersten Zone 18 ist nicht dargestellt. In der zweiten Zone erfolgt eine Oxidation in den Poren ohne echte Flammenausbildung. Dabei entsteht heißes
Rauchgas, welches in Fig. 1 durch Pfeile 22 repräsentiert wird. Das Rauchgas wird genutzt, um einen Dampferzeuger zu heizen. Dabei besteht die Möglichkeit, den Dampferzeuger innerhalb des Strahlungsfeldes des Porenbrenners 10 anzuordnen, so dass nicht nur die durch das Rauchgas übertragene Wärme, sondern zusätzlich auch die Strahlungswärme genutzt wird.
Die Gewebesτücke 16 sind in Fig. 2 nochmals im Detail dargestellt. Sie bestehen aus einem im wesentlichen rechteckigen, netzartigen Gewebe. Eine Vielzahl dieser Gewebestücke 16 ist übereinander geschichtet. Jedes Gewebestück 16 ist wellenförmig um eine Krümmungsachse 37 gebogen. Die Gewebestücke werden so aufeinander geschichtet, dass die Berge 24 und Täler 26 der Krümmungen immer abwechselnd um 90 Grad versetzt aufeinander liegen. Dies ist in Fig. 3 ersichtlich. So liegt zum Beispiel das Gewebestück 30 um 90 Grad versetzt auf dem Gewebestück 28 auf. Der Porenbrenner wird vollständig mit den Gewebestücken 16 aufgefüllt. Dadurch bildet sich ein Porenstruktur, die eine besonders gute, gleichmäßige Flammenentwicklung erlaubt. Der
Porenkörper wird vom Brennstoff Luftgemisch parallel zu den Ebenen der einzelnen Gewebe-Schichten und in Richtung der Winkelhalbierenden 34 des Verdrehwinkels zwischen den Wellennormalen 35 und der Wellennormalen 39 der Schichten durchströmt.
Im vorliegenden Fall hat der Porenbrenner 10 einen rechteckigen Querschnitt und ist daher auch mit rechteckigen Gewebestücken 16 gefüllt. Hat der Porenbrenner 10 einen anders geformten Querschnitt, wird selbstverständlich auch die Form der Gewebestücke entsprechend angepasst.
Weiterhin wird das Gehäuse 12 des Poreribrenners von einem Kühlmittel durchströmt. Die Kühlluft wird in diesem Fall gesondert in einen Kühlkanal 38 (Fig.4) des Gehäuses 12 eingespeist und wird am Auslass 40 mit dem Rauchgas vermischt.
Durch die Größe der Gewebemaschen 32, die Krümmungsradien der Wellentäler und -
Berge und die Anzahl der Kriimmungen pro Gewebestück kann die Porengröße beeinflusst werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Porengröße in der Zone 18 (Fig.l) kleiner und in Zone 20 größer.
Die Gewebestücke bestehen aus Siliziumkarbid. Siliziumkarbid ist ein carbidischer Keramik- Werkstoff und als solcher nicht verwebbar. Zur Herstellung derartiger Gewebe wird daher ein Kohlenstoffgewebe verwendet, welches in die geeignete Form gebracht und dann siliziert wird. Zum Silizieren eignen sich verschiedene Prozesse. Beim
Flüssigsilizierverfahren wird schmelzflüssiges Silizium ein poröses Substrat aus Kohlenstofffaser verstärktem Kohlenstoff (C/C) infiltriert und mit dem Kohlenstoff der Matrix direkt zu SiC reagiert. Das Verfahren ist bekannt und zum Beispiel im Internet unter http://www.fz-juelich.de/iwv/iwyl/index.php?index=8 beschrieben und braucht daher nicht näher erläutert werden.
Die silizierten Gewebestücke 16 sind nach diesem Vorgang steif und können in den Brenner ohne weitere Formveränderung eingesetzt werden. Das Material ist hochtemperaturfest. Das Herstellungsverfahren für flächige SiC-Strukturen ist verglichen mit schwammartigen Keramikkörpern kostengünstig und die mechanische und thermische Belastbarkeit ist gegenüber Keramikschwämmen wesentlich höher.