DE10160837B4 - Verfahren der Mischung von heißen Brennergasen mit Sekundärluft zur Temperaturbegrenzung - Google Patents

Abstract

Brenner, insbesondere für Fahrzeuganwendungen, mit einem Gehäuse (1), das einen Einlass (2), einen Brennraum (3) eine Zündeinrichtung (4) und einen Abgasauslass (5) aufweist, bei dem ein Teil des Brennraums (3) mit einem porösen Material gefüllt ist, dessen Porosität sich längs der Flußrichtung eines gasförmigen Brennstoffes derart verändert, dass sich an der Grenzfläche oder in einer bestimmten Zone des porösen Materials eine kritische Peclet-Zahl durch Einstellen der Porengröße ergibt, bei dem unterhalb dieser Porengröße keine Flamme entstehen kann, darüber jedoch eine freie Entflammung stattfindet, wobei in dem Abgasauslass (5) eine Zuführung (6) für Luft und eine Mischzone (7) für die Mischung der zugeführten Luft und dem heißen Abgas vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet dass der Einlass (2a) für die Luft mit der Zuführung (6) für Luft über mehrere im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Kanäle (9) verbunden ist, welche zwischen dem Brennraum (3) und einer Außenwand (1a) des Gehäuses (1) angeordnet sind.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Derartige Brenner, insbesondere für Heizungsanlagen sind aus der DE 43 22 109 C2 und DE 195 27 583 C2 bekannt. Sie zeigen ein Gehäuse, das einen Einlass für ein Gas-Luft-Gemisch als Brennstoff, einen Brennraum, eine Zündeinrichtung im Brennraum und einen Abgasauslass aufweist. Dabei ist der Teil des Brennraums, in dem sich die Flamme ausbreitet, vollständig mit einem porösen Material gefüllt, dessen Porosität sich längs der Flußrichtung des Gas-Luft-Gemisches derart verändert, dass sich an der Grenzfläche oder in einer bestimmten Zone des porösen Materials eine kritische Peclet-Zahl durch Einstellen der Porengröße ergibt. Unterhalb dieser Porengröße kann keine Flamme entstehen, wogegen oberhalb eine freie Entflammung stattfindet. Diese Art der Brenner wird auch als Porenbrenner bezeichnet. Sie erweisen sich bei vorgegebener Heizleistung als sehr kompakt und robust.
• In der DE 199 39 951 A1 ist ein Porenbrenner beschrieben, bei dem zur Reduktion der maximalen Temperatur bei der Verbrennung ein zusätzliches Gas mit niedrigerem Brennwert oder ein inertes Gas in den Brennraum zugeführt wird. Dadurch werden die Verbrennungsverhältnisse bewußt verschlechtert und die Verbrennungstemperatur reduziert. Damit ist sichergestellt, dass die im Brennraum verwendeten Materialien aufgrund der Erniedrigung der Verbrennungstemperatur nicht geschädigt werden. Dieser Brenner zeigt aufgrund der nicht optimalen Verbrennungsverhältnisse verschlechterte Emissionsverhältnisse.
• Einen Brenner mit Zumischung von Luft in den Abgasauslass einer ersten oder zweiten Verbrennungsstufe eines Porenbrenners mit sich in Flussrichtung ändernder Porosität ist aus dem amerikanischen Patent US 5,141,432 bekannt. Der Brenner weist eine thermisch isolierende Aluminiumoxidhülse auf und hat niedrige Schadstoffemissionen.
• Aus der deutschen Patentanmeldung DE 195 21 308 A1 geht eine Gasturbine mit niedrigen Schadstoffemissionen hervor, bei der die Flammtemperatur durch Einspritzen von Wasser in den Brennraum abgesenkt wird.
• Aus der deutschen Patentanmeldung DE 198 16 714 A1 geht ein Gebläsebrenner mit niedrigen Schadstoffemissionen hervor.
• Der Gebläsebrenner weist ein einziges Brennergebläse für zumindest zwei Brennerstufen auf. Von dem Brennergebläse aus ist von der geregelten Verbrennungsluftzufuhr zur ersten Brennerstufe eine regelbare Verbrennungsluftleitung zur zweiten Brennerstufe abgezweigt.
• Aus der deutschen Patentanmeldung DE 195 44 417 A1 ist ein weiterer Brenner bekannt, bei dem in dem Abgasauslass eine Zuführung für ein Verbrennungsgas, d.h. Luft, und eine Mischzone für die Mischung der zugeführten Luft und dem heißen Abgas vorgesehen ist. Die Abgase können vorgeheizt sein.
• Das deutsche Patent DE 195 27 583 C2 beschäftigt sich mit der Bereitstellung eines verbesserten porösen Mediums für einen Porenbrenner, um damit eine schadstoffreduzierte Verbrennung zu bewirken. Dazu wird ein Wärmetauschermantel vorgeschlagen, in dem schraubenlinienförmig verlaufende Kanäle vorgesehen sind, in denen ein Wärmetauschermedium wie z.B. Wasser fließt, das durch eine Heizungsanlage zirkuliert. Ferner wird vorgeschlagen, im Abgasraum eine Kühlwendel vorzusehen, die dem Abgas Wärme entzieht, die als Nutzwärme einsetzbar ist.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner so weiterzuentwickeln, dass er ohne thermische Probleme zu verursachen in enger Nachbarschaft zu anderen, wärmeempfindlichen Komponenten angeordnet werden kann.
• Die Aufgabe wird ausgehend von den bekannten Brennern dadurch gelöst, dass der Einlass für die Luft mit der Zuführung für Luft über mehrere im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Kanäle verbunden ist, welche zwischen dem Brennraum und einer Außenwand des Gehäuses angeordnet sind.
• Dabei bilden ein Einlass für die Luft, eine Zuführung für den Flüssigbrennstoff und eine daran angeschlossene Verdampfungszone den Einlass des Brenners.
• Bei dieser Ausbildung des Brenners wird die über den Einlass für die Luft zugeführte Luft aufgeteilt, und zwar in einen ersten Luftstrom, der zur Verdampfung des zugeführten flüssigen Brennstoffs verwendet wird, und einen zweiten Luftstrom, der zur Zuführung in den Abgasauslass und dort durch Mischen mit den heißen Abgasen zur Abkühlung derselben verwendet wird. Dieser zweite Luftstrom wird über mehrere parallel zueinander verlaufende Kanäle, welche zwischen dem Brennraum und der Außenwand des Gehäuses verlaufen, geführt.
• Durch diese Anordnung der Kanäle gelingt es, die Außenwand des Gehäuses vom Brennraum zu trennen und sie durch die durchströmende Luft kühl zu halten. Damit ist nicht nur eine definierte Absenkung der Temperatur der Abgase, sondern auch eine Abkühlung der Außenwand des Gehäuses sichergestellt, so dass eine thermische Beeinträchtigung der Umgebung des Brenners, insbesondere der thermischen empfindlichen Komponenten in der Nachbarschaft des Brenners, nicht gegeben ist. Dies ermöglicht eine Anordnung verschiedener Komponenten in der unmittelbaren Umgebung des Brenners, so dass sehr kompakte Systeme unter Verwendung des erfindungsgemäßen Brenners realisiert werden können. Durch die Verwendung mehrerer Kanäle wird eine besonders effiziente thermische Trennung des heißen Brennraums von der Außenwand des Gehäuses und damit von der Umgebung des Brenners erreicht. Die Temperatur der Außenwand des Gehäuses des Bren ners wird so auf einem besonders niedrigeren Niveau gehalten.
• Durch das Zusammenwirken und die kompakte Anordnung der Zuführung für den Flüssigbrennstoff, des Einlasses für die Luft und der daran angeschlossenen Verdampfungszone gelingt es, die von außen aus Reservoirs zugeführten Edukte unverändert dem Brenner zuzuführen und durch das Mischen und Verdampfen in der Verdampfungszone für das Verbrennen aufzubereiten, ohne dass aufwendige und raumgreifende zusätzliche Vorrichtungen erforderlich sind. Durch diese Ausbildung des Brenners, insbesondere des Einlasses des Brenners wird erreicht, dass die Anzahl der Zuleitungen des Brenners reduziert sind und dadurch eine kompakte Bauweise des Brenners gewährleistet ist, die ihn gerade für den Einbau in einem Fahrzeug mit seinen schwierigen und engen Raumverhältnissen sowie mit seinen empfindlichen Bestandteilen besonders geeignet machen.
• Durch diese Anordnung gelingt es außerdem, eine optimale Verbrennung in dem Brennraum zu ermöglichen, wodurch der Brenner sehr kompakt und effizient ausgebildet werden kann. Dadurch gelingt es ferner, die Abgase, die zur Heizung vorgesehen sind, in ihrer Temperatur auf ein Maß abzusenken, dass es zu keiner Gefährdung der zu heizenden Komponenten oder anderer Komponenten kommen kann. Dabei wird die Menge der zugeführten kalten Luft so gewählt, dass eine ausreichende Temperaturabsenkung gegeben ist.
• Durch diese Anordnung gelingt es zudem, eine optimale Verbrennung mit der Möglichkeit einer sehr kompakten Ausbildung des Brenners zu erreichen, ohne dabei die maximale Heizleistung unnötig einzuschränken und eine ausreichende Sicherheit anderer Komponenten, insbesondere eines Fahrzeugs, vor thermischer Zerstörung zu erreichen.
• Es hat sich besonders bewährt, in der Zuführung für die Luft ein Ventil zur Einstellung der zugeführten Luftmenge vorzusehen. Hierdurch gelingt es, durch entsprechende Einstellung der zugeführten Luftmenge die Abgastemperatur an die äußeren Umstände, das heißt an die gewünschten Temperaturen, respektive an die Maximaltemperaturen, anzupassen. In Verbindung mit einem fakultativen zusätzlichen Temperatursensor im Bereich der Mischzone ist es möglich, auf Basis der aktuell gemessenen Temperatur die zugeführte Luftmenge mittels des Ventils in der Zuführung für die Luft dahingehend einzustellen, dass die derzeit gewünschte Temperatur der Abgase erreicht wird. Durch diese Regelung wird sichergestellt, dass bei sich ändernden Verbrennungsverhältnissen, beispielsweise durch Veränderung des zugeführten Brennstoffs, durch Veränderung der Außentemperatur, der Luftfeuchtigkeit usw., stets eine gewünschte Abgastemperatur bei Erhalt der gewünschten Heizleistung und mit einer emissionsarmen Verbrennung erreicht wird.
• Es hat sich besonders bewährt im Mündungsbereich der Zuführung für die Luft Umlenkelemente für den Luftstrom vorzusehen, die ein Umlenken und/oder Verwirbeln der zugeführten Luft und dadurch ein effizientes Mischen dieser mit den heißen Abgasen bewirken. Durch diese Umlenkung wird ein sehr wirkungsvolles Mischen der Gase und damit ein gleichmäßiges Abkühlen der Abgase gewährleistet.
• Es hat sich besonders bewährt, die Umlenkelemente so anzuordnen und auszubilden, dass die zugeführte Luft in Verbindung mit der Abgasströmung einen Wirbel ausbildet und da durch eine gute Vermischung mit der Abgasströmung erreicht wird.
• Es hat sich besonders bewährt, den erfindungsgemäßen Brenner in einem Fahrzeug insbesondere in einem Reformer für ein Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug zu verwenden. Durch die besonderen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Brenners, insbesondere seine kompakte Ausbildung und seine große Heizleistung, ohne dabei zu hohe kritische Temperaturen zu erzeugen, ist er im besonderen zur Aufheizung von Reaktoren, Membranteilen, Wärmeüberträgern und Verdampfern bzw. der darin geführten Fluide geeignet oder zur Beheizung von endothermen Reaktionen, wie der Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere für Brennstoffzellensysteme.
• Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen.
• Es zeigen:
• 1 den prinzipiellen Verlauf des erfindungsgemäßen Verbrennungsvorganges und
• 2 einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Brenners in einer geschnittenen Darstellung.
• In 1 ist schematisch der Ablauf der Verbrennung mit der anschließenden Abkühlung der Abgase dargestellt. Dem Brennraum 3 wird über einen Einlass 2 der flüssige Brennstoff, z.B. Benzin, und Luft als Oxidationsmittel für den flüssigen Brennstoff zugeführt. Im Brennraum 3 findet in einem Porenkörper die Verbrennung statt. Die dabei entste henden Abgase werden vom Brennraum 3 über einen Abgasauslass 5 abgeführt. Die Abgase haben eine Abgastemperatur von deutlich über 1000 °C. Diesem Abgas wird im Abgasauslass 5 über eine Zuführung 6 für Luft zusätzlich Luft von niedrigerer Temperatur zugeführt, wodurch die Abgastemperatur abgesenkt wird. Die Absenkung erfolgt durch das Mischen der heißen Abgase mit der zugeführten kälteren Luft. Die Mischtemperatur wird durch die Wahl der zugeführten Luftmenge über die Zuführung 6 eingestellt.
• Der beschriebene erfindungsgemäße Brenner kann in seinem optimalen Betriebszustand, respektive Temperaturbereich, betrieben werden, was sich einerseits positiv auf die erforderliche Größe des Brenners auswirkt, und zum andern die Entstehung von Schadstoffen bei der Verbrennung auf ein Minimum reduziert. Durch die Variation der der heißen Abluft zugeführten Luftmenge kann die gewünschte Abgastemperatur flexibel eingestellt werden, ohne dass sich hinsichtlich der Schadstoffemissionen die Abgaszusammensetzung ändert.
• Um bei einer Verbrennung von Benzin eine Abgastemperatur von unter 1000 °C zu erreichen, muss eine Luftzahl von etwa 2,6 eingestellt werden, so dass nach optimaler Verbrennung eine ausreichende Restluftmenge zur Zuführung in den Abgasauslass 5 vorhanden ist, damit die sehr heißen Abgase auf Temperaturen von unter 1000 °C abgesenkt werden können. Mit diesen Abgastemperaturen kann sichergestellt werden, dass Reaktoren, Membranen, Trenneinheiten, Wärmeübertrager von Reformern für Brennstoffzellensysteme, insbesondere aus Edelstahl, thermisch nicht zerstört werden können. Mithin ist die notwendige Heizwirkung durch den erfindungsgemäßen Brenner gegeben, ohne dass dabei eine thermische Zerstörung der Komponenten zu befürchten ist.
• In 2 ist in einem Längsschnitt eine beispielhafte Ausführung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Porenbrenners dargestellt.
• Der Porenbrenner zeigt ein Gehäuse 1 mit einem Einlass 2a für die Luft und einer Zuführung 2b für den flüssigen Brennstoff, die eine Zerstäubungsdüse 12 aufweist. Die zugeführte Luft wird in zwei Luftströme aufgeteilt. Ein Luftstrom wird in die Verdampfungszone 8 geleitet, in die der flüssige Brennstoff mittels der Düse 12 in Form von kleinen Tröpfchen eingesprüht wird. Der eingesprühte Tröpfchennebel zeigt im Wesentlichen eine kegelförmige Ausbildung. Mittels der in den Verdampfungsraum 8 einströmenden Luft werden die feinen Tröpfchen des Brennstoffs verdampft und gelangen in den Brennraum 3. Der Brennraum 3 ist mit einem porösen Material gefüllt, dessen Porösität sich längs der Flußrichtung des gasförmigen Brennstoffs derart verändert, dass sich in einem Bereich eine kritische Peclet-Zahl durch Einstellen der Porengröße ergibt. Im Bereich mit einer kleineren Porengröße kann keine Flamme entstehen; im Bereich mit einer größeren Porengröße kann jedoch eine freie Entflammung stattfindet. Diese Entflammung wird durch eine Zündeinrichtung 4 induziert. Der Brennraum 3 und die Zuführung 2a der Luft bzw. 2b des Brennstoffes sind so ausgebildet, dass eine sehr effiziente und schadstoffarme Verbrennung erfolgt. Dabei entstehen sehr heiße Abgase, die Temperaturen von deutlich über 1000 °C aufweisen. Die Abgase treten aus dem Brennraum 3 in den Abgasauslass 5 aus.
• Der zweite Luftstrom, welcher aus der über den Einlass 2a zugeführten Luft neben dem ersten Luftstrom gebildet wird, wird über mehrere Kanäle 9 im Gehäuse 1 über eine Zuführung 6 für Luft in den Abgasauslass 5 geführt. Hierbei wird der Luftstrom an Umlenkelementen 11 abgelenkt und in Richtung der Abgasströmung zum Abgasauslass gelenkt. Die Umlenkelemente 11 sind als Teil des Gehäuses 1 im Umlenkbereich 10 der Zuführung 6 angeordnet. Im Abgasauslass 5 findet eine Mischung der über die Zuführung 6 zugeführten kalten Luft mit den heißen Abgasen aus dem Brennraum 3 statt. Der Bereich, in dem diese Mischung stattfindet, wird als Mischzone 7 bezeichnet. Durch die Mischung der heißen Abgase von deutlich über 1000 °C mit der Luft von Umgebungstemperatur, typischer Weise unter 100 °C, findet eine Abkühlung der Abgase statt. Durch die Wahl des Mengenverhältnisses und des Temperaturverhältnisses zwischen der über die Zuführung 6 zugeführten Luft und den Abgasen läßt sich die endgültige Abgastemperatur einstellen und dadurch eine thermische Zerstörung nachfolgender, insbesondere in der Umgebung des Brenners befindlicher, Komponenten des Systems verhindern.
• Neben der Abkühlung der Abgase auf beispielsweise 1000 °C gelingt es darüber hinaus, die Temperatur der Außenwand 1a des Gehäuses 1 des Brenners niedrig zu halten, da die Außenwand 1a mittels der in den Kanälen 9 zugeführten kalten Luft abgekühlt wird und damit nicht die hohe Temperatur einer Wand des Brennraums 3 zeigt. Damit ist es möglich, den Brenner in unmittelbare Nähe zu anderen thermisch empfindlichen Komponenten beispielsweise in einem Fahrzeug anzuordnen, ohne dass eine Gefährdung dieser Komponenten stattfindet.
• Der beschriebene Brenner erweist sich zudem als sehr kompakt, da die Verbrennung in einem optimalen Zustand gehalten wird und nicht durch störende Maßnahmen suboptimal ausgebildet wird.

Claims (6)

1. Brenner, insbesondere für Fahrzeuganwendungen, mit einem Gehäuse (1), das einen Einlass (2), einen Brennraum (3) eine Zündeinrichtung (4) und einen Abgasauslass (5) aufweist, bei dem ein Teil des Brennraums (3) mit einem porösen Material gefüllt ist, dessen Porosität sich längs der Flußrichtung eines gasförmigen Brennstoffes derart verändert, dass sich an der Grenzfläche oder in einer bestimmten Zone des porösen Materials eine kritische Peclet-Zahl durch Einstellen der Porengröße ergibt, bei dem unterhalb dieser Porengröße keine Flamme entstehen kann, darüber jedoch eine freie Entflammung stattfindet, wobei in dem Abgasauslass (5) eine Zuführung (6) für Luft und eine Mischzone (7) für die Mischung der zugeführten Luft und dem heißen Abgas vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet dass der Einlass (2a) für die Luft mit der Zuführung (6) für Luft über mehrere im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Kanäle (9) verbunden ist, welche zwischen dem Brennraum (3) und einer Außenwand (1a) des Gehäuses (1) angeordnet sind.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einlass (2a) für die Luft und eine Zuführung (2b) für den flüssigen Brennstoff sowie eine Verdampfungszone (8) zur Erzeugung des gasförmigen Brennstoffs vorgesehen ist.
3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuführung (2a) oder den Kanälen (9) ein Ventil zur Einstellung der zugeführten Luftmenge vorgesehen ist.
4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasauslass (5) in Strömungsrichtung des Abgases nach der Mischzone (7) ein Temperatursensor angeordnet ist, der mit einer Regelungseinheit für die Einstellung der zugeführten Luftmenge und damit mit dem Ventil verbunden ist.
5. Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Mündungsbereich (10) der Zuführung (6) für die Luft Umlenkelemente (11) vorgesehen sind, die ein Umlenken und/oder Verwirbeln der zugeführten Luft und eine Mischung mit dem heißen Abgas bewirken.
6. Verwendung eines Brenners nach einem der vorstehenden Ansprüche in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Reformer für ein Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug.