WO2023104823A1 - Dunkelstrahler - Google Patents

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WO2023104823A1
WO2023104823A1 PCT/EP2022/084654 EP2022084654W WO2023104823A1 WO 2023104823 A1 WO2023104823 A1 WO 2023104823A1 EP 2022084654 W EP2022084654 W EP 2022084654W WO 2023104823 A1 WO2023104823 A1 WO 2023104823A1
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WO
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burner
combustion air
hydrogen
tube
gas
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/084654
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English (en)
French (fr)
Inventor
Edgar Kreis
Alexander GENZEL
Torsten Stohler
Thomas Renner
Original Assignee
Schwank Gmbh
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Publication date
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Priority to CN202280019594.3A priority patent/CN117015681A/zh
Priority to US18/279,950 priority patent/US20240142101A1/en
Priority to CA3216912A priority patent/CA3216912A1/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/12—Radiant burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C3/00—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber
    • F23C3/002—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber the chamber having an elongated tubular form, e.g. for a radiant tube
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F23C9/08—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber for reducing temperature in combustion chamber, e.g. for protecting walls of combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901—Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2203/00—Gaseous fuel burners
    • F23D2203/002—Radiant burner mixing tubes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2203/00—Gaseous fuel burners
    • F23D2203/007—Mixing tubes, air supply regulation

Definitions

  • the invention relates to a dark radiator with a burner, a fan and a radiant tube, the burner being connected to a fuel gas supply, the fan being set up to supply combustion air to the burner, the burner being set up to emit a flame into the radiant tube.
  • infrared heaters are often used to heat production and storage facilities.
  • Dark radiators have one or more radiant tubes as radiant elements, to which at least one burner is assigned.
  • Combustion of a mixture of combustible gas and air within the burner generates a flame that can be distributed over the entire length of the radiant tube using a fan.
  • Natural gas or liquid gas is used as fuel gas, which is mixed in a mixing chamber in a specified ratio, after which it is fed into the combustion chamber via a nozzle and ignited.
  • the fuel-air mixture is guided through a grid or mesh, which also has the task of holding the flame.
  • the radiant tubes are regularly connected to the burner in a linear or U-shaped manner and should radiate the heat generated by the flame evenly over the entire length of the tube.
  • the radiant tube is evenly heated by the flame and generates thermal radiation, which is radiated onto an area to be heated. Reflectors are often used to increase efficiency.
  • the exhaust gases resulting from the combustion are removed from the radiant tube with the help of the blower, for example discharged to the outside air via exhaust pipes.
  • DE 10 2014 019 765 A1 proposes blowers and To control gas valve by means of a control device to ensure complete combustion of the mixture of fuel gas and air.
  • EP 2 708 814 A1 also proposes equipping the burner with a mixer and at least one secondary air duct, with the burner being set up so that part of the air supplied by the blower is supplied to the mixer and another part of the air is supplied to a secondary air duct , to direct part of the supplied combustion air to the flame without fuel.
  • DE 10 2014 019 766 A1 also proposes using a sensor to detect the current mixing ratio and/or the type of gas, in particular with regard to the admixture of other types of gas, and to supply gas and/or air to the burner depending on the comparison result between measured and to the necessary mixing ratio until the necessary mixing ratio is established.
  • the above solutions have proven themselves in practice, as a result of which dark radiators today have relatively low pollutant emissions while at the same time being highly efficient.
  • the object of the present invention is to provide a dark radiator whose pollutant emissions are further reduced with at least the same level of efficiency. According to the invention, this object is solved by the features of the characterizing part of patent claim 1.
  • a dark radiator which has an efficiency that is at least the same as in the prior art and in which the emission of pollutants is reduced. Due to the fact that the fuel gas supply is preferably connected exclusively to a hydrogen source, the exhaust gas theoretically does not contain any carbon-containing pollutants such as carbon monoxide, carbon dioxide or hydrocarbons, since hydrogen does not contain any carbon.
  • the blower is connected to an ejector whose suction connection is connected to the hydrogen supply, with the combustion air sucked in by the blower serving as the driving medium, so that the blower supplies the burner with a hydrogen combustion air mixture is supplied.
  • This enables the supply of a hydrogen/combustion air mixture in a defined mixing ratio, whereby the flame temperature can be adjusted.
  • the flame temperature can be reduced. Due to the high reactivity of hydrogen, a high air ratio of 2.5 to 3 is possible. In this way, the flame temperature can be brought below the limit temperatures of nitrogen oxide formation and the materials of the radiant tube.
  • the burner comprises a gas nozzle and a mixing tube, which is fed with hydrogen from the gas nozzle, the mixing tube being flushed with combustion air by the blower, the gas nozzle forming an ejector with the mixing tube, the driving medium of the ejector hydrogen introduced through the gas nozzle and the medium sucked into the mixing tube is combustion air located in the jet tube and an ignition device for igniting the hydrogen-combustion air mixture is connected downstream in the flame direction at a distance from the mixing tube.
  • a non-return lock is preferably arranged in the mixing tube at its end directed in the direction of the flame. This prevents flashback into the mixing tube.
  • the burner comprises a gas nozzle, the blower being set up for flushing the gas nozzle with combustion air and no combustion gas mixing chamber for premixing combustion gas and combustion air being arranged and the gas nozzle being fed exclusively with combustion gas.
  • the blower being set up for flushing the gas nozzle with combustion air and no combustion gas mixing chamber for premixing combustion gas and combustion air being arranged and the gas nozzle being fed exclusively with combustion gas.
  • a combustion air mixing chamber is arranged upstream of the burner in the flame direction and is connected to a combustion air source and the exhaust gas discharge line.
  • the fan is arranged upstream of the burner in the flame direction and the combustion air mixing chamber is arranged inside the fan. This achieves good mixing of combustion air and exhaust gas within the fan.
  • the connection between the exhaust gas discharge line and the combustion air mixing chamber includes a branching device, by which the ratio of the branched off exhaust gas volume flow to the combustion air volume flow is determined. This allows the oxygen content of the combustion air/exhaust gas mixture to be adjusted.
  • the branching device preferably includes an adjusting device, by means of which the ratio of the branched off exhaust gas volume flow to the combustion air volume flow can be adjusted.
  • the burner serves as a primary burner, which is followed by a secondary burner at a distance in the flame direction in the radiant tube, the fuel gas supply of which is connected to a hydrogen source as the fuel gas source, with the exhaust gas stream of the upstream primary burner being supplied to the secondary burner as combustion air.
  • a secondary burner at a distance in the flame direction in the radiant tube, the fuel gas supply of which is connected to a hydrogen source as the fuel gas source, with the exhaust gas stream of the upstream primary burner being supplied to the secondary burner as combustion air.
  • a compensating element in the form of a compensator is interposed between the primary burner and the secondary burner to compensate for thermally induced changes in length within the radiant tube.
  • This compensator which is preferably designed as an axial compensator, absorbs the movement of the jet pipe along the axis, thereby avoiding damage to the jet pipe.
  • FIG. 1 shows the schematic representation of a dark radiator
  • FIG. 2 shows the schematic representation of a dark radiator in a further embodiment
  • FIG. 3 shows the schematic representation of a dark radiator in a third embodiment
  • Figure 4 shows the schematic representation of a dark radiator in a fourth embodiment with primary and secondary burner
  • FIG. 5 shows the schematic representation of a dark radiator in a further embodiment with primary and secondary burners.
  • the dark radiator selected as an exemplary embodiment according to FIG. 1 comprises a burner 1 which is connected to a blower 2 and to which a radiant tube 3 is connected.
  • the jet tube 3 is only indicated in Figure 1; the jet pipe 3 can certainly extend over a few meters in length and be formed from several jet pipe elements.
  • Radiant tube 3 designed as a highly heat-resistant stainless steel tube.
  • special steels with a thermally applied aluminum oxide layer can also be used.
  • the radiant tube 3 is surrounded by a reflector (not shown), which in the exemplary embodiment is made of surface-structured aluminum sheet and has partition plates on both sides to reduce convective losses.
  • the burner 1 comprises a gas nozzle 11 serving as a gas-air mixture nozzle, which is provided with a non-return lock in the exemplary embodiment and which is connected to the blower 2 .
  • An ignition electrode 12 is arranged in the burner 1 at a distance from the gas nozzle 11 .
  • the fan 2 is connected on its suction side to an ejector 21 , the driving connection of which is connected to a combustion air supply 22 and the suction connection of which is connected to a hydrogen supply 23 .
  • the combustion air sucked in by the blower 2 is used here as a driving medium, through which the hydrogen is sucked in.
  • the blower 2 supplies the gas nozzle 11 with a hydrogen/combustion air mixture which, after exiting through the gas nozzle 11, is ignited by the ignition electrode 12, as a result of which a flame extending through the jet tube 3 is generated.
  • a burner 4 is arranged, which in turn is connected to a blower 2 and to which a radiant tube 3 is connected.
  • the burner 4 comprises a hydrogen nozzle 41 which is connected to a hydrogen supply 42 and which in turn is aligned with the longitudinal central axis of the jet tube 3 .
  • a gas nozzle that is exclusively charged with hydrogen is referred to here as a hydrogen nozzle.
  • the hydrogen nozzle protrudes into a mixing tube 43 which runs coaxially to the jet tube 3 , a radial suction gap of an ejector formed by the hydrogen nozzle 41 and the mixing tube 43 being formed between the mixing tube 43 and the hydrogen nozzle 41 .
  • the mixing tube 43 is held in the burner 4 by a separating screen 45 that clamps it and is provided with scavenging openings.
  • a non-return lock 431 is arranged in the mixing tube 43 at its end opposite the hydrogen nozzle 41 .
  • a thermal sensor 432 for detecting a possible flashback is arranged in the mixing tube 43 .
  • the blower 2 is aligned in such a way that combustion air 35 flows around the hydrogen nozzle 41 and the mixing tube 43 .
  • Combustion air 25 is sucked in via suction gap 44 by the hydrogen stream introduced into mixing tube 43 via hydrogen nozzle 41 and mixes with the hydrogen stream.
  • the hydrogen/combustion air mixture emerging from the mixing tube 43 is ignited by the ignition electrode 46 arranged at a distance from the mixing tube 43, as a result of which a flame is formed which extends into the jet tube 3 over the length thereof.
  • a portion of the combustion air 35 blown into the burner 1 by the blower 2 flows through the scavenging openings of the partitions 45 and washes around the flame extending into the radiant tube 3, which is thereby cooled.
  • the ejector formed by the hydrogen nozzle 41 and the mixing tube 43 is designed in such a way that combustion air with an air ratio of 2.5 is supplied to the hydrogen in the mixing tube, whereby a flame temperature of approximately 900° C. is achieved.
  • the dark radiator comprises a burner 5 which is connected to a blower 2 and to which a radiant tube 3 is connected.
  • the jet pipe 3 has a U-shaped course, which is followed by a branch pipe 6 which is connected to the blower 2 via a suction pipe 24 .
  • the burner 5 in turn comprises a hydrogen nozzle 51 which is connected to a hydrogen feed 52 .
  • the hydrogen nozzle 51 is aligned in the direction of the longitudinal central axis of the jet tube 3 .
  • An ignition electrode 53 for igniting the hydrogen is positioned at a distance from the hydrogen nozzle 51 .
  • the ejector tube 6 comprises a main tube piece 61 via which the jet tube 3 is connected to the suction tube 24 .
  • An exhaust gas discharge pipe 62 branches off from the main pipe section 61 and a combustion air supply pipe 63 is spaced therefrom.
  • the combustion air flow 631 sucked in by the blower 2 via the suction pipe 24 serves as the driving medium of the ejector pipe 6, via which part of the exhaust gas flow 621 is drawn in through the recirculation orifice 64 .
  • the mixture of exhaust gas and combustion air produced in this way is introduced into the burner 5 by the blower 2 , where it flows around the hydrogen nozzle 51 .
  • the proportion of the exhaust gas stream in the combustion air stream can be adjusted by the recirculation orifice 64, which in turn determines the oxygen content of the exhaust gas/combustion air stream mixture flowing around the hydrogen nozzle 51.
  • the main exhaust gas flow is discharged via the exhaust gas discharge pipe 62 .
  • the burner 5, the radiant tube 3, the ejector tube 6 and the blower 2 connected to the suction tube 24 are each connected to one another via flange connections.
  • two burners are arranged in the radiant tube 3, a primary burner 7 and a secondary burner 8 which is connected downstream of this in the direction of the flame.
  • the primary burner 7 and the secondary burner 8 correspond to the burner 5 explained in the exemplary embodiment described above.
  • These in turn comprise a hydrogen nozzle 71 , 81, which is connected to a hydrogen supply 72, 82, with an ignition electrode 73, 83 being positioned at a distance from the hydrogen nozzle 71, 81.
  • the primary burner 7 is connected to a fan 2 whose suction port is connected to a combustion air supply 22 .
  • the primary burner 7 is followed by a U-shaped jet tube 3 which is connected to the secondary burner 8 via a compensating element 31 .
  • the secondary burner 8 is in turn followed by a further jet tube 3 ′, which in the exemplary embodiment is again U-shaped.
  • Combustion air flows around the hydrogen nozzle 71 of the primary burner 7 from the blower 2 .
  • the mixture of hydrogen and combustion air that forms in front of the hydrogen nozzle 71 is ignited by the ignition electrode 73 , as a result of which a first flame forms at a distance in front of the hydrogen nozzle 71 .
  • the exhaust gas flow of this first flame flows through the compensating element 32 and flows around the hydrogen nozzle 81 of the secondary burner 8.
  • the exhaust gas flow-hydrogen mixture that forms in front of the hydrogen nozzle 81 has a sufficiently high oxygen content so that it can be ignited by the ignition electrode 83, whereby a second flame is formed, which extends along the second jet pipe 3'.
  • the exhaust gas stream of this second flame is derived from the second radiant tube 3'.
  • the compensating element 31 positioned in the section of the radiant tube 3 exposed to a high temperature gradient by the secondary burner 8 serves to compensate for thermally induced changes in length within the radiant tube.
  • this is designed as an axial compensator, which absorbs the movements of the pipeline along the axis.
  • combustion air is supplied to the primary burner 7 via the blower 2 and flows around the hydrogen nozzle 71 of the primary burner 7 .
  • the blower 2 upstream of the primary burner 7 can also be connected to an ejector according to the first exemplary embodiment, with the intake combustion air serving as the driving medium via which the combustion air is sucked out of the second radiant tube 3′.
  • the second jet pipe 3' can also be connected to the suction line of the blower 2 via an ejector pipe, as is described in the third exemplary embodiment.
  • the flame temperature of the first flame of the primary burner 7 can also be adjusted in this way.
  • a further reduction in the nitrogen oxide content of the discharged exhaust gas is made possible in this way.
  • the primary burner 7' is designed in accordance with the burner of the exemplary embodiment according to FIG.
  • a non-return lock 741 is in turn arranged in the mixing tube 74 at its end opposite the hydrogen nozzle 71 .
  • the structure of the dark radiator of this exemplary embodiment corresponds to the dark radiator of the exemplary embodiment according to FIG.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Dunkelstrahler, mit einem Brenner (1, 5, 6, 7), einem Gebläse (2) und einem Strahlrohr (3), das mit einer Abgasabführleitung verbunden ist, wobei der Brenner (1) mit einer Brenngaszuführung verbunden ist, wobei das Gebläse (2) dazu eingerichtet ist, dem Brenner (1) Verbrennungsluft zuzuführen, wobei der Brenner (1) eingerichtet ist, eine Flamme in das Strahlrohr (3, 3') abzugeben, wobei die Brenngaszuführung mit einer Wasserstoffquelle verbunden ist.

Description

Dunkelstrahler
Die Erfindung betrifft einen Dunkelstrahler, mit einem Brenner, einem Gebläse und einem Strahlrohr, wobei der Brenner mit einer Brenngaszuführung verbunden ist, wobei das Gebläse dazu eingerichtet ist, dem Brenner Verbrennungsluft zuzuführen, wobei der Brenner eingerichtet ist, eine Flamme in das Strahlrohr abzugeben.
Im gewerblichen und industriellen Bereich werden zur Beheizung von Produkti- ons- und Lagerstätten häufig Dunkelstrahler eingesetzt. Dunkelstrahler weisen als Strahlungselemente ein oder mehrere Strahlungsrohre auf, welchen mindestens ein Brenner zugeordnet ist. Durch Verbrennung eines Gemisches aus Brenngas und Luft innerhalb des Brenners wird eine Flamme erzeugt, welche mithilfe eines Gebläses über die gesamte Länge des Strahlungsrohres verteilt werden kann. Als Brenngas dient Erdgas oder Flüssiggas, das in einer Mischkammer in einem vorgegebenen Verhältnis gemischt wird, wonach es in die Brennkammer über eine Düse eingeleitet und gezündet wird. Als Rückschlagsperre wird das Brennstoff-Luftgemisch durch ein Gitter oder ein Geflecht geführt, das zugleich die Aufgabe hat, die Flamme zu halten. Die Strahlrohre sind regelmäßig durchgängig im Nachgang an den Brenner linear oder U-förmig angeschlossen und sollen die durch die Flamme erzeugte Wärme gleichmäßig über den gesamten Rohrverlauf abstrahlen. Das Strahlungsrohr wird durch die Flamme gleichmäßig erhitzt und generiert eine Wärmestrahlung, die auf einen zu erwärmenden Bereich abgestrahlt wird. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades kommen hierbei häufig Reflektoren zum Einsatz. Die durch die Verbrennung entstehenden Abgase werden mithilfe des Gebläses aus dem Strahlungsrohr entfernt, beispielsweise über Abgasrohre an die Außenluft abgeführt.
Um die bei der Verbrennung des Brennstoffs entstehende Schadstoffe zu minimieren, ist es ein stetiges Bestreben, ein optimales stöchiometrisches Verhältnis zwischen Brenngas und Luft zu erreichen, um eine möglichst vollständige Verbrennung zu erzielen, bei der die Schadstoffemission minimiert ist. Hierzu ist beispielsweise in der DE 10 2014 019 765 A1 vorgeschlagen, Gebläse und Gasventil mittels einer Regeleinrichtung zu steuern, um eine vollständige Verbrennung des Gemisches aus Brenngas und Luft sicherzustellen. In der EP 2 708 814 A1 wird weiter vorgeschlagen, den Brenner mit einem Mischer und mindestens einem Sekundärluftkanal auszustatten, wobei der Brenner dazu eingerichtet ist, das ein Teil der von dem Gebläse zugeführten Luft dem Mischer und ein anderer Teil der Luft einem Sekundärluftkanal zugeführt wird, um einen Teil der zugeführten Verbrennungsluft der Flamme ohne Brennstoff zuzuführen. In der DE 10 2014 019 766 A1 ist weiter vorgeschlagen, über einen Sensor das aktuelle Mischungsverhältnis und/oder die Art des Gases insbesondere in Bezug auf die Beimischung anderer Gasarten zu erfassen und dem Brenner Gas und/oder Luft in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis zwischen gemessenem und dem notwendigen Mischungsverhältnis zuzuführen, bis das notwendige Mischungsverhältnis hergestellt ist.
Die vorstehenden Lösungen haben sich in der Praxis bewährt, wodurch Dunkelstrahler heute einen verhältnismäßig geringen Schadstoffausstoß bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad aufweisen. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dunkelstrahler bereitzustellen, dessen Schadstoffausstoß bei zumindest gleichem Wirkungsgrad weiter vermindert ist. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
Mit der Erfindung ist ein Dunkelstrahler bereitgestellt, der einen im Vergleich zum Stand der Technik zumindest gleichbleibenden Wirkungsgrad aufweist und bei dem der Schadstoffausstoß vermindert ist. Dadurch, dass die Brenngaszuführung vorzugsweise ausschließlich mit einer Wasserstoffquelle verbunden ist, sind in dem Abgas theoretisch keine kohlenstoffhaltigen Schadstoffe wie Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid oder Kohlenwasserstoffe enthalten, da Wasserstoff keinen Kohlenstoff enthält.
In Weiterbildung der Erfindung ist das Gebläse mit einem Ejektor verbunden, dessen Sauganaschluss mit der Wasserstoffzuführung verbunden ist, wobei die durch das Gebläse angesaugte Verbrennungsluft als Treibmedium dient, sodass dem Brenner durch das Gebläse ein Wasserstoff-Verbrennungsluft- Gemisch zugeführt wird. Hierdurch ist die Zuführung eines Wasserstoff- Verbrennungsluft-Gemischs im definierten Mischungsverhältnis ermöglicht, wodurch eine Einstellung der Flammtemperatur erzielt ist. Durch die Einstellung einer hohen Luftzahl, also mit einem hohen Luftüberschuss kann eine Senkung der Flammtemperatur erzielt werden. Aufgrund der hohen Reaktionsfreudigkeit von Wasserstoff ist eine hohe Luftzahl von 2,5 bis 3 möglich. So kann die Flammtemperatur auf diese Weise unterhalb der Grenztemperaturen der Stick- oxidbildung sowie auch der Materialien des Strahlrohrs gebracht werden.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung umfasst der Brenner eine Gasdüse und ein Mischrohr, das von der Gasdüse mit Wasserstoff gespeist wird, wobei das Mischrohr durch das Gebläse mit Verbrennungsluft umspült wird, wobei die Gasdüse mit dem Mischrohr einen Ejektor ausbildet, wobei das Treibmedium des Ejektors durch die Gasdüse eingebrachter Wasserstoff und das in das Mischrohr angesaugte Medium in dem Strahlrohr befindliche Verbrennungsluft ist und wobei in Flammrichtung beabstandet zu dem Mischrohr eine Zündvorrichtung zur Zündung des Wasserstoff-Verbrennungsluft-Gemischs nachgeschaltet ist. Hierdurch ist gleichsam die Zuführung eines Wasserstoff- Verbrennungsluft-Gemischs in einem definierten Verhältnis ermöglicht. Dadurch, dass die Mischung des Wasserstoffs mit der Verbrennungsluft außerhalb des Gebläses erst in dem Mischrohr erfolgt, sind die Anforderung an den Gebläsewerkstoff vermindert, da hier nicht die Gefahr eines Flammrückschlages in das Gebläse möglich ist. Bevorzugt ist in dem Mischrohr an seinem in Flammrichtung gerichteten Ende eine Rückschlagsperre angeordnet. Hierdurch ist ein Flammrückschlag in das Mischrohr verhindert.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Brenner eine Gasdüse, wobei das Gebläse zur Umspülung der Gasdüse mit Verbrennungsluft eingerichtet ist und wobei keine Brenngas-Mischkammer zur Vormischung von Brenngas und Verbrennungsluft angeordnet ist und die Gasdüse ausschließlich mit Brenngas gespeist ist. Hierdurch ist ein einfacher und kostengünstiger Aufbau des Brenners erzielt. Überraschend hat sich gezeigt, dass aufgrund der hohen Reaktionsfreudigkeit von Wasserstoff eine vollständige Verbrennung des Wasserstoffs ohne Vormischung mit Verbrennungsluft erzielt wird. Dabei ergibt sich bis zur erforderlichen Vermischung des Wasserstoffs mit der das Gebläse umspülenden Verbrennungsluft ein großer Flammenabstand zur Gasdüse, wodurch keine thermische Beeinträchtigung der Gasdüse erfolgt. Zudem hat sich gezeigt, dass auch die Gefahr eines Flammrückschlages nicht gegeben ist, weshalb der im Stand der Technik erforderliche Flammhalter in Form einer gelochten Platte oder eines Drahtgeflechts nicht erforderlich ist.
In Weiterbildung der Erfindung ist dem Brenner in Flammrichtung vorgeschaltet eine Verbrennungsluft-Mischkammer angeordnet, die mit einer Verbrennungsluftquelle und der Abgasabführleitung verbunden ist. Durch die Zuführung von Abgasen zur Verbrennungsluft ist eine Sauerstoffminderung erzielt, wodurch eine Senkung der Flammtemperatur ermöglicht ist. Darüber hinaus ist durch die Rezirkulation des Abgases eine Minderung der Stickoxidemission bewirkt.
In Weiterbildung der Erfindung ist das Gebläse dem Brenner in Flammrichtung vorgeschaltet angeordnet und die Verbrennungsluft-Mischkammer ist innerhalb des Gebläses angeordnet. Hierdurch ist eine gute Vermischung von Verbrennungsluft und Abgas innerhalb des Gebläses erzielt.
In Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Verbindung zwischen der Abgasabführleitung und der Verbrennungsluftmischkammer eine Abzweigeinrichtung, durch welche das Verhältnis des abgezweigten Abgasvolumenstroms zum Verbrennungsluftvolumenstrom bestimmt ist. Hierdurch ist eine Einstellung des Sauerstoffgehalts des Verbrennungsluft-Abgas-Gemischs ermöglicht. Bevorzugt umfasst die Abzweigeinrichtung eine Verstelleinrichtung, durch welche das Verhältnis des abgezweigten Abgasvolumenstroms zum Verbrennungsluftvolumenstrom einstellbar ist.
In Weiterbildung der Erfindung dient der Brenner als Primärbrenner, dem in Flammrichtung beabstandet in dem Strahlrohr ein Sekundärbrenner nachgeschaltet ist, dessen Brenngaszuführung mit einer Wasserstoffquelle als Brenngasquelle verbunden ist, wobei dem Sekundärbrenner der Abgasstrom des vorgeschalteten Primärbrenners als Verbrennungsluft zugeführt wird. Hierdurch ist eine Nachbehandlung des Abgases des Primärbrenners erzielt, wodurch eine Emission von Stickoxiden weitgehend minimiert ist. Es hat sich gezeigt, dass aufgrund der hohen Reaktionsfreudigkeit des Wasserstoffs der verbleibende Sauerstoffgehalt in dem Abgas des Primärbrenners ohne Weiteres für die Verbrennung des Wasserstoffs des Sekundärbrenners ausreichend ist. Zudem ist der Verbrennungsprozess in dem Sekundärbrenner durch die Temperatur des Abgasstroms des Primärbrenners begünstigt.
In Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Primärbrenner und dem Sekundärbrenner ein Ausgleichselement in Form eines Kompensators zum Ausgleich von thermisch bedingten Längenveränderungen innerhalb des Strahlrohres zwischengeschaltet. Dieser Kompensator, der vorzugsweise als Axial- Kompensator ausgebildet ist, nimmt die Bewegung des Strahlrohrs längs der Achse auf, wodurch Beschädigungen des Strahlrohres vermieden sind.
Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend im Einzelnen beschreiben. Es zeigen:
Figur 1 die schematische Darstellung eines Dunkelstrahlers;
Figur 2 die schematische Darstellung eines Dunkelstrahlers in einer weiteren Ausführungsform;
Figur 3 die schematische Darstellung eines Dunkelstrahlers in einer dritten Ausführungsform;
Figur 4 die schematische Darstellung eines Dunkelstrahlers in einer vierten Ausführungsform mit Primär- und Sekundärbrenner und
Figur 5 die schematische Darstellung eines Dunkelstrahlers in einer weiteren Ausführungsform mit Primär- und Sekundärbrenner.
Der als Ausführungsbeispiel gewählte Dunkelstrahler gemäß Figur 1 umfasst einen Brenner 1 , der mit einem Gebläse 2 verbunden ist und an den sich ein Strahlrohr 3 anschließt. Das Strahlrohr 3 ist in Figur 1 lediglich angedeutet; das Strahlrohr 3 kann sich durchaus über einige Meter Länge erstrecken und aus mehreren Strahlrohrelementen gebildet sein. Im Ausführungsbeispiel ist das Strahlrohr 3 als hochhitzebeständiges Edelstahlrohr ausgebildet. Alternativ können auch Sonderstähle mit einer thermisch aufgebrachten Aluminiumoxid- schicht zum Einsatz kommen. Das Strahlrohr 3 ist im Ausführungsbeispiel von einem - nicht dargestellten - Reflektor eingefasst, der im Ausführungsbeispiel aus oberflächenstrukturiertem Aluminiumblech ausgebildet ist und der auf beiden Seiten Schottbleche zur Reduktion konvektiver Verluste aufweist.
Der Brenner 1 umfasst eine als Gasluftgemischdüse dienende Gasdüse 1 1 , die im Ausführungsbeispiel mit einer Rückschlagsperre versehen ist und die mit dem Gebläse 2 verbunden ist. Beabstandet zu der Gasdüse 1 1 ist in dem Brenner 1 eine Zündelektrode 12 angeordnet. Das Gebläse 2 ist an seiner Saugseite mit einem Ejektor 21 verbunden, dessen Treibanschluss mit einer Verbrennungsluftzuführung 22 und dessen Sauganschluss mit einer Wasserstoffzuführung 23 verbunden ist. Die durch das Gebläse 2 angesaugte Verbrennungsluft dient hier als Treibmedium, durch das eine Ansaugung des Wasserstoffs bewirkt ist. Druckseitig wird der Gasdüse 1 1 durch das Gebläse 2 hierdurch ein Wasserstoff-Verbrennungsluft-Gemisch zugeführt, das nach Austritt durch die Gasdüse 1 1 durch die Zündelektrode 12 entzündet wird, wodurch eine sich durch das Strahlrohr 3 erstreckende Flamme erzeugt wird.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist ein Brenner 4 angeordnet, der wiederum mit einem Gebläse 2 verbunden ist und an den sich ein Strahlrohr 3 anschließt. Der Brenner 4 umfasst eine Wasserstoffdüse 41 , die mit einer Wasserstoffzuführung 42 verbunden ist und die wiederum mit der Längsmittelachse des Strahlrohrs 3 ausgerichtet ist. Als Wasserstoffdüse ist hier eine Gasdüse bezeichnet, die ausschließlich mit Wasserstoff beaufschlagt ist. Die Wasserstoffdüse ragt in ein Mischrohr 43, das koaxial zum Strahlrohr 3 verläuft, wobei zwischen Mischrohr 43 und Wasserstoffdüse 41 ein radialer Saugspalt eines durch die Wasserstoffdüse 41 und das Mischrohr 43 gebildeten Ejektors gebildet ist. Das Mischrohr 43 ist über eine dieses einspannende, mit Spülöffnungen versehene Trennblende 45 in dem Brenner 4 gehalten. An seinem der Wasserstoffdüse 41 gegenüberliegenden Ende ist in dem Mischrohr 43 eine Rückschlagsperre 431 angeordnet. Weiterhin ist dem Mischrohr 43 Ein Thermosensor 432 zur Detektierung eines möglichen Flammrückschlages angeordnet. Das Gebläse 2 ist derart ausgerichtet, dass es die Wasserstoffdüse 41 und das Mischrohr 43 mit Verbrennungsluft 35 umspült. Durch den über die Wasserstoffdüse 41 in das Mischrohr 43 eingebrachten Wasserstoffstrom wird über den Saugspalt 44 Verbrennungsluft 25 eingesaugt, das sich mit dem Wassers- troff vermischt. Das aus dem Mischrohr 43 austretende Wasserstoff- Verbrennungsluft-Gemisch wird durch die beabstandet zu dem Mischrohr 43 angeordnete Zündelektrode 46 entzündet, wodurch eine Flamme gebildet ist, die sich über die Länge des Strahlrohrs 3 in dieses erstreckt. Ein Teil der von dem Gebläse 2 in den Brenner 1 eingeblasenen Verbrennungsluft 35 strömt durch die Spülöffnungen der Trennwände 45 und umspült die sich in das Strahlrohr 3 erstreckende Flamme, welche hierdurch gekühlt wird. Der durch die Wasserstoffdüse 41 und das Mischrohr 43 gebildete Ejektor ist derart ausgebildet, dass in dem Mischrohr dem Wasserstoff Verbrennungsluft mit einer Luftzahl 2,5 zugeführt wird, wodurch eine Flammtemperatur von etwa 900 °C erzielt wird.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 umfasst der Dunkelstrahler einen Brenner 5, der mit einem Gebläse 2 verbunden ist und an den sich ein Strahlrohr 3 anschließt. Das Strahlrohr 3 weist einen U-förmigen Verlauf auf, an den sich ein Abzweigrohr 6 anschließt, das über ein Saugrohr 24 mit dem Gebläse 2 verbunden ist. Der Brenner 5 umfasst wiederum eine Wasserstoffdüse 51 , die mit einer Wasserstoffzuführung 52 verbunden ist. Die Wasserstoffdüse 51 ist in Richtung der Längsmittelachse des Strahlrohrs 3 ausgerichtet. Beabstandet zur Wasserstoffdüse 51 ist eine Zündelektrode 53 zur Entzündung des Wasserstoffs positioniert.
Das Ejektorrohr 6 umfasst ein Hauptrohrstück 61 , über welches das Strahlrohr 3 mit dem Saugrohr 24 verbunden ist. Von dem Hauptrohrstück 61 zweigt ein Abgasabführungsrohr 62 ab sowie beabstandet zu diesem ein Verbrennungsluft-Zuführungsrohr 63. Zwischen dem Abgaszuführungsrohr 62 und dem Verbrennungsluft-Zuführungsrohr 63 ist in dem Hauptrohrstück 61 eine Rezirkulati- onsblende 64 angeordnet. Der durch das Gebläse 2 über das Saugrohr 24 angesaugte Verbrennungsluftstrom 631 dient als Treibmedium des Ejektorrohrs 6, über das durch die Rezirkulationsblende 64 ein Teil des Abgasstroms 621 angesaugt wird. Das so erzeugte Abgas-Verbrennungsluft-Gemisch wird durch das Gebläse 2 in den Brenner 5 eingebracht, wo es die Wasserstoffdüse 51 umspült. Durch die Rezirkulationsblende 64 ist der Anteil des Abgasstroms in dem Verbrennungsluftstrom einstellbar, wodurch wiederum der Sauerstoffgehalt des die Wasserstoffdüse 51 umspülenden Abgas-Verbrennungsluftstrom- Gemischs bestimmt ist. Der Hauptabgasstrom wird über das Abgas- Abführungsrohr 62 abgeführt.
Der Brenner 5, das Strahlrohr 3, das Ejektorrohr 6 und das mit dem Saugrohr 24 verbundene Gebläse 2 sind jeweils über Flanschverbindungen miteinander verbunden.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 sind in dem Strahlrohr 3 zwei Brenner angeordnet, ein Primärbrenner 7 und ein diesem in Flammrichtung nachgeschalteter Sekundärbrenner 8. Der Primärbrenner 7 und der Sekundärbrenner 8 entsprechen dem in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel erläuterten Brenner 5. Diese umfassen wiederum eine Wasserstoffdüse 71 , 81 , die mit einer Wasserstoffzuführung 72, 82 verbunden ist, wobei beabstandet zu der Wasserstoffdüse 71 , 81 eine Zündelektrode 73, 83 positioniert ist. Der Primärbrenner 7 ist mit einem Gebläse 2 verbunden, dessen Sauganschluss mit einer Verbrennungsluftzuführung 22 verbunden ist. An den Primärbrenner 7 schließt sich ein U-förmig ausgebildetes Strahlrohr 3 an, das über ein Ausgleichselement 31 mit dem Sekundärbrenner 8 verbunden ist. An den Sekundärbrenner 8 schließt sich wiederum ein weiteres Strahlrohr 3' an, das im Ausführungsbeispiel wiederum U-förmig ausgebildet ist.
Die Wasserstoffdüse 71 des Primärbrenners 7 wird von dem Gebläse 2 mit Verbrennungsluft umströmt. Das sich vor der Wasserstoffdüse 71 ausbildende Wasserstoff-Verbrennungsluft-Gemisch wird durch die Zündelektrode 73 entzündet, wodurch sich beabstandet vor der Wasserstoffdüse 71 eine erste Flamme ausbildet. Der Abgasstrom dieser ersten Flamme strömt durch das Ausgleichselement 32 und umspült die Wasserstoffdüse 81 des Sekundärbrenners 8. Das sich vor der Wasserstoffdüse 81 ausbildende Abgasstrom- Wasserstoffgemisch weist einen ausreichend hohen Sauerstoffgehalt aus, so- dass es durch die Zündelektrode 83 entzündet werden kann, wodurch eine zweite Flamme gebildet ist, die sich entlang des zweiten Strahlrohrs 3' erstreckt. Der Abgasstrom dieser zweiten Flamme wird aus dem zweiten Strahlrohr 3' abgeleitet. Das in dem durch den Sekundärbrenner 8 einen hohen Temperaturgefälle ausgesetzten Abschnitt des Strahlrohr 3 positionierte Ausgleichselement 31 dient dem Ausgleich von thermisch bedingten Längenveränderungen innerhalb des Strahlrohres. Dieses ist im Ausführungsbeispiel als Axial-Kompensator ausgebildet, der die Bewegungen der Rohrleitung längs der Achse aufnimmt.
In diesem Ausführungsbeispiel wird dem Primärbrenner 7 über das Gebläse 2 Verbrennungsluft zugeführt, welche die Wasserstoffdüse 71 des Primärbrenners 7 umspült. In einer abgewandelten Ausführungsform kann das dem Primärbrenner 7 vorgeschaltete Gebläse 2 auch entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel mit einem Ejektor verbunden sein, wobei die angesaugte Verbrennungsluft als Treibmedium dient, über das Verbrennungsluft aus dem zweiten Strahlrohr 3' angesaugt wird. In einer weiteren abgewandelten Ausführungsform kann das zweite Strahlrohr 3' auch über ein Ejektorrohr mit der Saugleitung des Gebläses 2 verbunden sein, wie es im dritten Ausführungsbeispiel beschrieben ist. Auf diese Weise ist auch die Flammtemperatur der ersten Flamme des Primärbrenners 7 einstellbar. Zudem ist auf diesem Wege eine weitere Verminderung des Stickoxidgehaltes des abgeführten Abgases ermöglicht.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 ist der Primärbrenner 7' entsprechend dem Brenner des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 2 ausgebildet, wobei die Wasserstoffdüse 71 wiederum in ein Mischrohr 74 ragt, sodass zwischen Wasserstoffdüse 71 und Mischrohr 74 ein Saugspalt 75 gebildet ist. An seinem der Wasserstoffdüse 71 gegenüberliegenden Ende ist in dem Mischrohr 74 wiederum eine Rückschlagsperre 741 angeordnet. Im Übrigen entspricht der Aufbau des Dunkelstrahlers dieses Ausführungsbeispiels dem Dunkelstrahler des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 4, wobei auch bei diesem Ausführungsbeispiel die dort angeführten Ausführungsformen zur Beimengung eines Teils des Abgasstroms des zweiten Strahlrohr 3' zu der von dem Gebläse 2 angesaugten Verbrennungsluft möglich sind.

Claims

Patentansprüche Dunkelstrahler, mit einem Brenner (1 , 5, 6, 7), einem Gebläse (2) und einem Strahlrohr (3), das mit einer Abgasabführleitung verbunden ist, wobei der Brenner (1 ) mit einer Brenngaszuführung verbunden ist, wobei das Gebläse (2) dazu eingerichtet ist, dem Brenner (1 ) Verbrennungsluft zuzuführen, wobei der Brenner (1 ) eingerichtet ist, eine Flamme in das Strahlrohr (3, 3‘) abzugeben, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenngaszuführung mit einer Wasserstoffquelle verbunden ist. Dunkelstrahler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse (2) mit einem Ejektor (21 ) verbunden ist, dessen Sauganschluss mit der Wasserstoffzuführung (23) verbunden ist, wobei die durch das Gebläse (2) angesaugte Verbrennungsluft als Treibmedium dient, sodass dem Brenner (1 ) durch das Gebläse (2) ein Wasserstoff- Verbrennungsluft-Gemisch zugeführt wird. Dunkelstrahler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (4) eine Gasdüse (41 ) und ein Mischrohr (43) umfasst, das von der Gasdüse (41 ) mit Wasserstoff gespeist wird, wobei das Mischrohr (43) durch das Gebläse (2) mit Verbrennungsluft umspült wird, wobei die Gasdüse (41 ) mit dem Mischrohr (43) einen Ejektor ausbildet, wobei das Treibmedium des Ejektors durch die Gasdüse eingebrachter Wasserstoff und das in das Mischrohr (43) angesaugte Medium in dem Strahlrohr (3, 3‘) befindliche Verbrennungsluft ist und wobei in Flammrichtung beabstandet zu dem Mischrohr (43) eine Zündvorrichtung zur Zündung des Wasserstoff-Verbrennungsluft-Gemischs nachgeschaltet ist. Dunkelstrahler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (7) eine Gasdüse umfasst, wobei das Gebläse (2) zur Umspülung der Gasdüse (71 ) mit Verbrennungsluft eingerichtet ist und wobei keine Brenngas-Mischkammer zur Vormischung von Brenngas und
Verbrennungsluft angeordnet ist und die Gasdüse ausschließlich mit Brenngas gespeist ist. Dunkelstrahler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brenner (1 , 5, 6) im Flammrichtung vorgeschaltet eine Verbrennungsluft-Mischkammer angeordnet ist, die mit einer Verbrennungsluftquelle und der Abgasabführleitung verbunden ist. Dunkelstrahler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse (2) dem Brenner (1 ) in Flammrichtung vorgeschaltet angeordnet ist und die Verbrennungsluft-Mischkammer innerhalb des Gebläses (2) angeordnet ist. Dunkelstrahler nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen der Abgasabführleitung (62) und der Verbrennungsluft-Mischkammer eine Abzweigeinrichtung (64) umfasst, durch welche das Verhältnis des abgezweigten Abgasvolumenstroms zum Verbrennungsluft-Volumenstrom bestimmt ist. Dunkelstrahler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigeinrichtung (64) eine Verstelleinrichtung umfasst, durch welche das Verhältnis des Abgasvolumenstroms zum Verbrennungsluft- Volumenstrom einstellbar ist. Dunkelstrahler nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner als Primärbrenner (7) dient, dem in Flammrichtung beabstandet in dem Strahlrohr (3) ein Sekundärbrenner (8) nachgeschaltet ist, dessen Brenngaszuführung mit einer Wasserstoffquelle als Brenngasquelle verbunden ist, wobei dem Sekundärbrenner (8) der Abgasstrom des vorgeschalteten Primärbrenners (7) als Verbrennungsluft zugeführt wird. Dunkelstrahler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Primärbrenner (7) und dem Sekundärbrenner (7) ein Ausgleichselement (31 ) zum Ausgleich von thermisch bedingten Längen- veränderungen innerhalb des Strahlrohres (3) zwischengeschaltet ist.
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