EP0657011A1 - Burner - Google Patents

Abstract

PCT No. PCT/EP94/02156 Sec. 371 Date Mar. 1, 1995 Sec. 102(e) Date Mar. 1, 1995 PCT Filed Jul. 10, 1995 PCT Pub. No. WO95/01532 PCT Pub. Date Jan. 12, 1995.A burner with a housing enclosing a combustion chamber and with an inlet for a gas/air fuel mixture and an outlet for combustion gas is disclosed. The combustion chamber is filled with a porous material whose porosity varies along the combustion chamber in such a way that the pore size increases in the direction of flow of the gas/air mixture so that a critical Péclet number for the pore size and accordingly for flame development results at a boundary surface or in a determined zone of the porous material, above which number a flame can develop and below which number the flame development is suppressed.

Description

Brenner burner

Beschreibung:Description:

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner mit einem Gehäuse, das einen Brennraum mit einem Einlaß für ein Gas-/Luftgemisch als Brennstoff und einen Auslaß für das Abgas aufweist.The invention relates to a burner with a housing which has a combustion chamber with an inlet for a gas / air mixture as fuel and an outlet for the exhaust gas.

Brenner dieser Art arbeiten üblicherweise mit einer in dem Brennraum frei brennenden Flamme, die das Gas-/Luftgemisch verbrennt, wobei das heiße Abgas als Wärmequelle verwendet wird. Insbesondere wird das heiße Abgas zum Wärmetauschen an wasserfüh¬ renden Rohren vorbeigeführt, um in diesen heißes Wasser oder Dampf zu erzeugen.Burners of this type usually work with a flame which burns freely in the combustion chamber and which burns the gas / air mixture, the hot exhaust gas being used as the heat source. In particular, the hot exhaust gas for heat exchange is guided past water-carrying pipes in order to generate hot water or steam therein.

In solchen Brennern werden Schadstoffe wie NO_x oder CO gebildet. Diese giftigen und gesundheitsschädlichen Gase entstehen entweder bei hoher Flammtemperatur bzw. bei unvollständiger Verbrennung in unstabilen Flammen bzw. bei niedriger Flammentempe¬ ratur, die zwar reduziert werden könnte, dann aber entsteht eine unstabile Flamme . Ferner ist auch eine unvollständige Verbrennung des GasTLuftgemisches zu erwarten, die den Wirkungsgrad herabsetzt.Pollutants such as NO _x or CO are formed in such burners. These toxic and harmful gases are produced either at a high flame temperature or incomplete combustion in unstable flames or at a low flame temperature, which could be reduced, but then creates an unstable flame. Furthermore, an incomplete combustion of the gas / air mixture is expected, which reduces the efficiency.

Um diese Nachteile zu vermeiden wurden verschiedene Brennertypen entwickelt Ein Überblick ist in "Lean-Burn Premixed Combustion in Gas Turbine Combusters", A. Saul und D. Altemark, Vulkan-Verlag, Essen, Band 40 (1991) Heft 7-8, S. 336-342 dargestellt Wesentliches Merkmal bei den dort beschriebenen Entwicklungen zur Reduzierung von Schadstoffen ist vor allem eine niedrige Flammtemperatur, wobei verschiedene Maßnah¬ men getroffen sind, die Brennstoffe möglichst vollständig zu verbrennen. Die wichtigsten Maßnahmen zur Erzielung einer effizienteren Verbrennung sind die Überstöchiometrie und die Katalyse. Beispielsweise ist in der genannten Druckschrift eine im Forschungs¬ stadium befindliche Fett-Quensch-Mager-Verbrennungskammer von General Electric "LM 2500" angegeben, bei der in einer ersten Stufe ein brennstoffreiches Gemisch verbrannt wird. In einem Zwischenbereich wird dem in der ersten Stufe teilweise verbrannten Gas Luft zugeführt und in einer zweiten Stufe das dadurch entstehende Magergemisch ver¬ brannt Für diesen Brenner wird von den Autoren ein NO_x Gehalt von < 190mg/m³ Gas angegeben.In order to avoid these disadvantages, different types of burners have been developed. An overview is in "Lean-Burn Premixed Combustion in Gas Turbine Combusters", A. Saul and D. Altemark, Vulkan-Verlag, Essen, Volume 40 (1991) Issue 7-8, p 336-342 The essential feature in the developments described there for reducing pollutants is above all a low flame temperature, various measures being taken to burn the fuels as completely as possible. The most important measures to achieve a more efficient combustion are the superstoichiometry and the catalysis. For example, in the document mentioned, a fat-quensch-lean combustion chamber from General Electric "LM 2500" is in the research stage, in which a fuel-rich mixture is burned in a first stage. In an intermediate area, air is supplied to the gas that is partially burned in the first stage and the lean mixture that arises as a result is burned in a second stage. For this burner, the authors state a NO _x content of <190 mg / m ³ gas.

Die obengenannte Druckschrift beschreibt auch die Verbrennung mit Hilfe von Katalysa- toren, mit denen eine vollständige Verbrennung bei geringer Temperatur e eicht werden kann. Die Druckschrift gibt für die katalytische Verbrennung einen NO_x Gehalt von < 20mg m³ an. Die katalytische Verbrennung ist bei mehreren Forschungsstätten in Ent¬ wicklung die aber bisher noch nicht über das Forschungsstadium hinaus fortgeschritten ist. Nach Meinung der Autoren kann nicht erwartet werden, daß diese Art von Brennern innerhalb der nächsten 5 Jahre kommerziell einsetzbar ist.The above-mentioned publication also describes the combustion with the aid of catalysts with which complete combustion at low temperature can be calibrated. The document specifies a NO _x content of <20 mg m ³ for catalytic combustion. Catalytic combustion is under development at several research institutes, but has not yet progressed beyond the research stage. According to the authors, this type of burner cannot be expected to be commercially available within the next 5 years.

In der genannten Druckschrift werden Stabilitätsprobleme nicht detailliert diskutiert Sie werden aber um so wichtiger, je geringer die Flammtemperatur gewählt wird.In the publication mentioned stability problems are not discussed in detail, but they become more important the lower the flame temperature is chosen.

Eine Möglichkeit für die stabile Verbrennung bei niedrigen Temperaturen ist in "NeueOne possibility for stable combustion at low temperatures is in "Neue

Gasbrenner- und -gerätetechnik", ein Beitrag der Gaswirtschaft zum Umweltschutz, Otto Menzel, gwf Gas Erdgas 130, 1989, Heft 7, S. 355-364 und in "Entwicklung eines schadstoffarmen Vormischbrenners für den Einsatz in Haushalts- Gasheizkesseln mit zy¬ lindrischer Brennkammer", H. Berg und Th. Jannemann, Gas Wärme International, Band 38 (1989), Heft 1, S. 28-34, Vulkan-Verlag, Essen angegeben. Der dort beschriebeneGas burner and device technology ", a contribution of the gas industry to environmental protection, Otto Menzel, gwf Gas Erdgas 130, 1989, Issue 7, pp. 355-364 and in" Development of a low-pollutant premix burner for use in household gas boilers with a cylindrical one Brennkammer ", H. Berg and Th. Jannemann, Gas Wärme International, Volume 38 (1989), Issue 1, pp. 28-34, Vulkan-Verlag, Essen. The one described there

"Thermomax'-Brenner hat nur einen geringen NO_x Ausstoß. Die Flammstabilität wird bei diesem Brenner durch eine wärmeabführende Brennerplatte erreicht die im wesentlichen aus einem Lochblech mit kreisrunden Bohrungen besteht, durch welche das zu ver¬ brennende Gas strömt. Die Flamme wird aufgrund der Wärmeabführung über das Loch¬ blech praktisch an der Brennerplatte festgehalten, wodurch eine stabile Flamme entsteht."Thermomax 'burner has a low NO _x emission. The flame stability is increased reaches this burner through a heat-dissipating burner plate which essentially consists of a perforated plate with circular bores through which the gas to be burned flows. Due to the heat dissipation via the perforated plate, the flame is practically held on the burner plate, which creates a stable flame.

Die Brennerplatte ist aber auch nicht ausreichend, um die Flammenstabilität bei allen Be¬ triebsparametern zu gewährleisten. So wird angegeben, daß bei hohen Luftzahlen eine Gemischvorwärmung von rund 300°C vorgesehen sein sollte, da sich hierdurch die Ver¬ brennungsgeschwindigkeit erhöht und damit die Abhebeneigung für die Flammen verrin- gert ird.However, the burner plate is also not sufficient to ensure flame stability in all operating parameters. For example, it is indicated that at high air ratios, a mixture preheating of around 300 ° C. should be provided, since this increases the combustion speed and thus reduces the tendency for the flames to lift off.

Aus dem zitierten Stand der Technik wird deutlich, daß es möglich ist, eine Reduzierung von Schadstoffen durch niedrige Flammtemperatur zu erreichen, wobei aber die Stabilität der Flamme weiterhin ein wesentliches, ungelöstes Problem darstellt.It is clear from the cited prior art that it is possible to achieve a reduction in pollutants by means of a low flame temperature, but the stability of the flame continues to be an essential, unsolved problem.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Brenner zu schaffen, bei dem die Flamme bei niedriger Temperatur und Schadstoffemission stabil brenntThe object of the invention is therefore to provide a burner in which the flame burns stably at low temperature and pollutant emissions

Ausgehend vom Stand der Technik wird die Aufgabe dadurch gelöst daß das Gehäuse ein poröses Material mit zusammenhängenden Hohlräumen enthält, dessen Porosität sich längs des Brennraumes so ändert, daß die Porengröße in Flußrichtung des Gas- /Luftgemisch vom Einlaß zum Auslaß zunimmt, wobei sich in einer Zone oder an einer Grenzfläche des porösen Materials im Brennraum für die Porengröße eine kritische Peclet-Zahl für die Flammentwicklung ergibt oberhalb der eine Flamme entstehen kann und unterhalb der die Flammentwicklung unterdrückt ist.Starting from the prior art, the object is achieved in that the housing contains a porous material with coherent cavities, the porosity of which changes along the combustion chamber in such a way that the pore size increases in the direction of flow of the gas / air mixture from the inlet to the outlet, in one Zone or at an interface of the porous material in the combustion chamber for the pore size gives a critical Peclet number for the flame development above which a flame can arise and below which the flame development is suppressed.

Nach diesem erfindungsgemäßen Vorschlag ist im Gegensatz zum Stand der Technik das Gehäuse mit einem porösen Material gefüllt, das die Eigenschaft besitzt, der Strö¬ mung des Gas-/Luftgemisches einen Widerstand entgegenzusetzen, so daß die zur Ver- brennung anstehende Gasmenge gedrosselt wird. Außerdem wird auch durch dieAccording to this proposal according to the invention, in contrast to the prior art, the housing is filled with a porous material which has the property of opposing the flow of the gas / air mixture, so that the amount of gas to be combusted is throttled. In addition, the

Wärmekapazität des porösen Materials im Brennraum die Verbrennungswärme besser aufgenommen und kann deshalb günstiger als beim Stand der Technik zur Weiterver¬ wendung übertragen werden. Es entsteht durch das poröse Material zusätzlich eine Kühlung, die die Flammtemperatur verringert Bei einer bestimmten Porengröße sind die chemische Reaktion der Flamme und die ter- mische Relaxation gleich groß, so daß unterhalb dieser Porengröße keine Flamme ent¬ stehen kann, darüber jedoch eine freie Entflammung stattfindet. Diese Bedingung wird geeigneterweise mit Hilfe der Pέclet-Zahl beschrieben, die das Verhältnis von Wärme¬ strom infolge Transport zu Wärmestrom infolge Leitung angibt Entsprechend der Po¬ rosität, bei der eine Entflammung einsetzen kann, gibt es eine überkritische Pέclet-Zahl für die Flammentwicklung. Da die Flamme nur in dem Bereich mit der kritischen Pέclet- Zahl entstehen kann, wird eine selbststabilisierende Flammenfront im porösen Material erzeugt.The heat capacity of the porous material in the combustion chamber absorbs the heat of combustion better and can therefore be transferred for further use more cheaply than in the prior art. The porous material creates additional cooling that reduces the flame temperature With a certain pore size, the chemical reaction of the flame and the thermal relaxation are of the same size, so that no flame can arise below this pore size, but a free flame takes place above it. This condition is suitably described with the help of the Pέclet number, which indicates the ratio of heat flow due to transport to heat flow due to conduction. In accordance with the poetry at which ignition can occur, there is a supercritical Pέclet number for flame development. Since the flame can only arise in the area with the critical Pέclet number, a self-stabilizing flame front is generated in the porous material.

Die Verwendung eines porösen Materials im Brennraum bedingt auch eine hohe Wärme¬ kapazität, wodurch eine im porösen Material lokal gespeicherte hohe Wärmeenergie und hohe Effizienzwerte in vorteilhafter Weise erreicht werden können. Weiter hat diese hohe Wärmekapazität auch den Vorteil, daß ein Wärmetauscher beispielsweise zur Erwärmung von Wasser, zur Erzeugung von Heißwasser oder Dampf im Brennraum integriert werden kann, wodurch eine wesentlich bessere Wärmeübertragung für den Wärmetausch erreicht wird als beim Stand der Technik. Die hohe Leistungsdichte ist auf eine höhere Verbren¬ nungsgeschwindigkeit im porösen Medium und eine viel größere Flammenfrontoberflä- che, die aufgrund der Porosität entsteht, zurückzuführen.The use of a porous material in the combustion chamber also requires a high heat capacity, as a result of which a high thermal energy and high efficiency values stored locally in the porous material can advantageously be achieved. This high heat capacity also has the advantage that a heat exchanger, for example for heating water, for producing hot water or steam, can be integrated in the combustion chamber, as a result of which a significantly better heat transfer for the heat exchange is achieved than in the prior art. The high power density is due to a higher combustion rate in the porous medium and a much larger flame front surface which arises due to the porosity.

Das poröse Material hat auch den Vorteil, daß in der Strömung des GasTLuftegemisches eine hohe Turbulenz entsteht, wodurch bis zu 50 mal höhere als normale Verbrennungs¬ geschwindigkeiten erreicht werden können. Damit sind vor allem bessere Verbrennungs¬ grade verbunden und es werden höhere Leistungsdichten erreicht An einem weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden Messungen durchgeführt, die zeigen, daß für die Wärmeausnutzung Effizienzen größer als 95% erreicht werden können.The porous material also has the advantage that a high level of turbulence arises in the flow of the gas / air mixture, as a result of which combustion speeds up to 50 times higher than normal can be achieved. In particular, better degrees of combustion are associated with this and higher power densities are achieved. Measurements were carried out on an exemplary embodiment described below, which show that efficiencies greater than 95% can be achieved for heat utilization.

Da das poröse Material selbst die Flamme kühlt, werden entsprechend niedrige Flamm¬ temperaturen in Verbindung mit niedrigen Emissionswerten erreicht Es ist daher keine Abkühlung nötig, wie sie im Stand der Technik entweder durch Überstöchiometrie oderSince the porous material itself cools the flame, correspondingly low flame temperatures are achieved in conjunction with low emission values. It is therefore not necessary to cool down, as is the case in the prior art either by overstoichiometry or

Abgasrückführung vorgesehen ist.Exhaust gas recirculation is provided.

Da das poröse Material dem Gasfluß selbst einen Widerstand entgegensetzt, arbeitet der erfindungsgemäße Brenner im wesentlichen unter einem weiten Druckbereich. Dadurch ist der Betrieb unter verschiedensten Drücken und sogar unter Hochdruck möglich. Für den erfiπdungsgemäßen Brenner ist also ein großer Anwendungsbereich gegeben. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die kritische Peclet-Zahl 65 +/- 25 und ins¬ besondere für Erdgas/Luftgemische 65.Since the porous material itself opposes the gas flow, the burner according to the invention operates essentially under a wide pressure range. This enables operation under various pressures and even under high pressure. There is therefore a wide range of applications for the burner according to the invention. According to a development of the invention, the critical Peclet number is 65 +/- 25 and in particular 65 for natural gas / air mixtures.

Diese Zahl wurde aufgrund von Versuchen für verschiedene Gas/Luftgemische ermittelt Es ergibt sich jedoch eine große Streuung je nach Art des Gases, wobei aber festgestellt wurde, daß bei ErdgasVLuft-Gemischen unabhängig vom Mischungsverhältnis und von der Zusammensetzung des Erdgases die kritische Pέclet-Zahl 65 beträgt. Diese Erkennt¬ nis zeigt daß die Pέclet-Zahl der geeignete Parameter ist, um die Porosität des auszu¬ wählenden Materials bei einem erfindungsgemäßen Brenner zu bestimmen. Die gege- bene Lehre erlaubt dem Fachmann, ohne große Vorversuche, einen erfindungsgemäßenThis number was determined on the basis of tests for various gas / air mixtures.However, there is a large spread depending on the type of gas, but it was found that with natural gas / air mixtures the critical Pέclet number 65 is independent of the mixing ratio and the composition of the natural gas is. This finding shows that the Pέclet number is the suitable parameter for determining the porosity of the material to be selected in a burner according to the invention. The teaching given allows the person skilled in the art to carry out one according to the invention without large preliminary tests

Brenner durch die Auslegung der Porosität des porösen Materials auf eine kritische Pέclet-Zahl von 65 hinsichtlich der Betriebsart festzulegen.Burner by designing the porosity of the porous material to a critical Pέclet number of 65 in terms of the operating mode.

Ein Brenner gemäß der erfindungsgemäßen Lehre kann einen kontinuierlichen Übergang von einer geringen Porosität zu einer hohen Porosität im Brennraum aufweisen, wobei dann die Flammentwicklung bei einer Porosität mit der kritischen Pέclet-Zahl beginnt Wie vorstehend schon diskutiert, kann die kritische Pέclet-Zahl aber bei verschiedenen Gas/Luftgemischen auch variieren. Das hätte bei kontinuierlichem Verlauf der Porosität des porösen Materials im Mantel den Nachteil, daß sich die Flamme bei unterschiedlichen Bedingungen verschieben könnte. Um eine definierte Position für die Flammentwicklung zu schaffen, sind bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung im Mantel zwei in Flußrichtung des Gas-/Luftgemisches hintereinander liegende Zonen unterschiedlicher Porengröße vorgesehen, wobei die dem Einlaß nachgeordnete erste Zone eine Peclet- Zahl für die Flammenrwicklung hat, die kleiner als die kritische Pέclet-Zahl ist, und die vom Einlaß weiter entfernte zweite Zone eine Pέclet-Zahl hat, die größer als die kritischeA burner according to the teaching of the invention can have a continuous transition from a low porosity to a high porosity in the combustion chamber, in which case the flame development begins with a porosity with the critical Pέclet number Gas / air mixtures also vary. If the porosity of the porous material in the jacket were to run continuously, this would have the disadvantage that the flame could shift under different conditions. In order to create a defined position for flame development, in an advantageous development of the invention, two zones of different pore sizes lying one behind the other in the flow direction of the gas / air mixture are provided in the jacket, the first zone downstream of the inlet having a Peclet number for flame development, which is smaller than the critical Pέclet number, and the second zone further away from the inlet has a Pέclet number which is larger than the critical one

Pέclet-Zahl istPέclet number is

Aufgrund dieser Maßnahmen ist die Flammentstehung auf die Fläche bzw. den Bereich zwischen den beiden Zonen festgelegt, und zwar im wesentlichen unabhängig von Be¬ triebsparametern, die zu einer Variation der kritischen Peclet-Zahl führen könnten. Die genannte Maßnahme zur Festlegungen des Ortes der Flammentstehung erhöht also weiter die Stabilität und erlaubt es, einen Brenner zu bauen, der über einen weiten Ein¬ satzbereich verwendbar ist.On the basis of these measures, the flame generation is fixed to the area or the area between the two zones, and essentially independent of operating parameters which could lead to a variation in the critical Peclet number. The measure mentioned for determining the location of the flame origin therefore further increases the stability and makes it possible to build a burner which can be used over a wide range of uses.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, daß die erste Zone eine Poren- große aufweist, die eine Pέclet-Zahl < 40 ergibt, und die zweite Zone eine Porengröße aufweist, die eine Pέclet-Zahl ≥ 90 ergibt. Aufgrund dieses Merkmals ist also der gesamte bekannte Variationsbereich von kriti¬ schen Peclet-Zahlen, die wie vorstehend schon erwähnt 65 +/- 25 betragen können, ab¬ gedeckt. Die angegebenen Werte für die Auslegung der Zonen für Pέclet-Zahlen < 40 bzw. > 90 sind, wie später an dem Ausführungsbeispiel deutlich wird, einfach zu verwirkli- chen, und erlauben es, einen Brenner für einen großen Einsatzbereich verschiedensterAccording to a preferred development, it is provided that the first zone has a pore size which gives a Pέclet number <40 and the second zone has a pore size which gives a Pέclet number ≥ 90. On the basis of this feature, the entire known range of variation from critical Peclet numbers, which, as already mentioned above, can be 65 +/- 25, is covered. The specified values for the design of the zones for Pέclet numbers <40 or> 90 are, as will become clear later in the exemplary embodiment, easy to achieve and allow a burner to be used for a wide range of different purposes

Gas/Luftgemische auszulegen.Gas / air mixtures.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das poröse Material ein hitzebeständiger Schaumkunststoff, eine Keramik oder Metall bzw. eine Metalllegierung. Wie derartige po- rose Materialien gefertigt werden können, ist aus dem Stand der Technik bekannt.According to a preferred development, the porous material is a heat-resistant foam plastic, a ceramic or metal or a metal alloy. How such porous materials can be produced is known from the prior art.

Die Hitzebeständigkeit muß aber für normale Haushaltsbrenner nicht besonders hoch sein, da die Flamme durch das poröse Material selbst gekühlt wird. Versuche haben ge¬ zeigt, daß bei erfindungsgemäßen Brennern mit einer Leistungsfähigkeit von 9KW die Temperaturen unterhalb von 1400° bleiben. Deshalb sieht eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung vor, daß das poröse Material bis 1500°C hitzebeständig ist. Aufgrund dieses Merkmals stehen für einen erfindungsgemäßen Brenner eine Vielzahl von möglichen Materialien zur Verfügung, so daß die Materialauswahl nicht nur nach technischen Gesichtspunkten getroffen werden kann, sondern ein Brenner auch bezüg- lieh eines kostengünstigen Aufbaus und eines geringen fertigungstechnischen Aufwands optimiert werden kann.However, the heat resistance does not have to be particularly high for normal domestic burners, since the flame is cooled by the porous material itself. Experiments have shown that, in the case of burners according to the invention with a capacity of 9 kW, the temperatures remain below 1400 °. A preferred development of the invention therefore provides that the porous material is heat-resistant up to 1500 ° C. On the basis of this feature, a large number of possible materials are available for a burner according to the invention, so that the material selection can not only be made on the basis of technical considerations, but also that a burner can also be optimized with regard to an inexpensive construction and a low manufacturing outlay.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung besteht das poröse Material aus Füllkörpem, z.B. in Form von Schüttgut, welches ggfs., beispielsweise durch Sinterung, verfestigt sein kann.According to a preferred development of the invention, the porous material consists of packing, e.g. in the form of bulk material which, if necessary, can be solidified, for example by sintering.

Mit der angegebenen Art von Materialien läßt sich eine Porosität in einfacher Weise er¬ zeugen. Das poröse Material kann aus locker geschichteten Körnern bestehen, es kann aber auch zu einer zusammenhängenden porösen Masse verfestigt sein.With the specified type of materials, porosity can be generated in a simple manner. The porous material can consist of loosely layered grains, but it can also be solidified into a coherent porous mass.

Schüttgut hat vor allem den Vorteil, daß es leicht in das Gehäuse einfüllbar ist und ferti¬ gungstechnisch sehr einfach gehandhabt werden kann. Es ist aber auch bei der Bren¬ nerwartung, beispielsweise für eine Reinigung, einfach möglich, Schüttgut wieder aus dem Gehäuse zu entfernen.Bulk material has the particular advantage that it can be easily filled into the housing and can be handled very easily in terms of production technology. However, it is also easily possible to remove bulk material from the housing again when the burner is expected, for example for cleaning.

Gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung enthält das Schüttgut Metall, eine Metalllegierung oder Keramik, insbesondere Steatit, Stemalox oder AI^D g Diese Materialien entsprechen in jeder Hinsicht den technischen Anforderungen für einen erfindungsgemäßen Brenner. Das genannte Schüttgut ist leicht erhältlich und liegt auch preislich in einem vertretbaren Bereich. Durch die Weiterbildung wird so ein kostengün¬ stiger und fertigungstechnisch einfacher Aufbau eines erfindungsgemäßen Brenners er- . möglicht.According to a preferred development of the invention, the bulk material contains metal, a metal alloy or ceramic, in particular steatite, Stemalox or Al ^ D g These materials correspond in every respect to the technical requirements for a burner according to the invention. The bulk material mentioned is readily available and is also reasonably priced. As a result of the further development, a burner according to the invention which is inexpensive and simple to manufacture is achieved. possible.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung besteht das Schüttgut in der Nähe des Auslasses aus Körnern kugelähnlicher Form mit mittleren Durchmessern von 5mm und im nachfolgenden Bereich mit mittleren Durchmessern > 11mm, wenn der Durchmes- ser zur Erreichung der kritischen Pέclet-Zahl zwischen 5 und 1 1mm liegt und insbeson¬ dere 9mm beträgt.According to a preferred development of the invention, the bulk material in the vicinity of the outlet consists of grains of spherical shape with average diameters of 5 mm and in the subsequent area with average diameters> 11 mm if the diameter is between 5 and 11 mm in order to achieve the critical Pέclet number lies and is in particular 9mm.

Wenn die Körner des Schüttgutes kugelförmig sind, läßt sich bei der Fertigung die Gleichmäßigkeit des Schüttgutes leicht kontrollieren. Insbesondere gilt das auch für die erreichbare Porosität, die dann nur durch den Durchmesser der kugelförmigen Körner und deren Anordnung in der Schüttung bestimmt ist. Es hat sich bei Stahl, Steatit, Ste- malox oder Al₂0₃ und bei Verwendung von Erdgas/Luftgemischen gezeigt daß die Peclet-Zahl von 65 bei Kugeln mit einem Durchmesser von 9mm und Peclet-Zahlen von 40 bzw. 90 bei Durchmessern von ungefähr 11 bzw. 5mm erreicht werden. Bei der Wei¬ terbildung wird also die erforderliche Porosität mit einfachen Mitteln erzielt, vor allem da Schüttgut der genannten Art und der entsprechenden Größe leicht verfügbar ist. Ohne großen Aufwand zu treiben, lassen sich so die erforderlichen Porositäten für einen erfin¬ dungsgemäßen Brenner verwirklichen.If the grains of the bulk material are spherical, the uniformity of the bulk material can easily be checked during manufacture. In particular, this also applies to the attainable porosity, which is then only determined by the diameter of the spherical grains and their arrangement in the bed. It has been shown with steel, steatite, stealox or Al ₂ 0 ₃ and when using natural gas / air mixtures that the Peclet number of 65 for balls with a diameter of 9mm and Peclet numbers of 40 and 90 for diameters of about 11 or 5mm can be achieved. The necessary porosity is thus achieved with simple means in the further development, especially since bulk material of the type mentioned and the corresponding size is readily available. The required porosities for a burner according to the invention can thus be achieved without great effort.

Wie beim Stand der Technik schon erwähnt wurde, läßt sich vor allem die NO_x und CO- Emission durch Einsatz von Katalysatormaterialien verringern. Deswegen ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, daß die Innenflächen der Hohlräume des po¬ rösen Materials bzw. die Oberflächen der Körner des Schüttguts mit einem Katalysator¬ material beschichtet sind.As has already been mentioned in the prior art, the NO _x and CO emissions in particular can be reduced by using catalyst materials. For this reason, according to a preferred development, it is provided that the inner surfaces of the cavities of the porous material or the surfaces of the grains of the bulk material are coated with a catalyst material.

Bei einem erfindungsgemäßen Brenner ist aufgrund der Porosität eine große Oberfläche zur Wechselwirkung mit dem Gas vorhanden. Dadurch ist zu erwarten, daß ein Kataly¬ sator wesentlich effektiver wirkt, als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Konfigurationen. Außerdem läßt sich ein erfindungsgemäßer Brenner gemäß der Weiter¬ bildung mit Katalysatoren wesentlich einfacher ausstatten, wodurch sehr schnell ein ferti- gungsreifer, serienmäßig verfügbarer Katalysatorbrenner möglich gemacht wird. Gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung weist das Gehäuse zumindest teilweise eine Kύhlungvorrichtung auf.In a burner according to the invention, because of the porosity, there is a large surface area for interaction with the gas. As a result, it can be expected that a catalytic converter works much more effectively than in the configurations known from the prior art. In addition, a burner according to the invention can be equipped with catalysts much more easily in accordance with the further development, as a result of which a catalyst burner ready for production and available as standard is made possible very quickly. According to a preferred development of the invention, the housing has at least partially a cooling device.

Im Prinzip könnte man die Wärme, die in das Gehäuse abfließt, auch mit Isoliermaterial gegenüber der Außenwelt abschirmen, jedoch hat eine Kühlung den Vorteil, daß die . Wärme von dem Kühlmittel aufgenommen und dann weiterverwendet werden kann. Auf¬ grund dessen kann die Effizienz eines erfindungsgemäßen Brenners weiter erhöht wer¬ den.In principle, the heat that flows into the housing could also be shielded from the outside world with insulating material, but cooling has the advantage that the. Heat can be absorbed by the coolant and then reused. Because of this, the efficiency of a burner according to the invention can be increased further.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Kühlvo ichtung als eine das Gehäuse umgebende bzw. dieses bildende Kühlschlange ausgebildet, durch die ein Kühlmittel, insbesondere Wasser, fließt Weiter kann eine Überwachungseinrichtung vorgesehen sein, die bei Ausfall des Kühlmittels die Zufuhr von Brennstoff in den Brennraum verhin¬ dert.According to an advantageous development, the cooling device is designed as a cooling coil surrounding or forming the housing, through which a coolant, in particular water, flows. Furthermore, a monitoring device can be provided which prevents the supply of fuel into the combustion chamber in the event of a coolant failure different.

Aufgrund dieser Merkmale ist die in der Kühlung aufgenommene Wärme weiterverwend- bar, da das fließende Kühlmittel Wärme transportiert, die an einem anderen Ort ent¬ nommen werden kann. Bei Kühlmittelströmen kann aber nicht ausgeschlossen werden, daß der Strom des Kühlmittels durch Leitungsbruch oder Verstopfung der Kühlschlange unterbrochen wird, wodurch sich die Außenwand des Brenners aufheizen könnte, was zu Brand oder Verbrennungen führen kann. Deswegen ist es zweckmäßig, eine Überwa- chungseinrichtuπg vorzusehen, die bei Ausfall des Kühlmittels die Zufuhr von Brennstoff in den Brennraum verhindertOn the basis of these features, the heat absorbed in the cooling can be used further, since the flowing coolant transports heat that can be removed at another location. In the case of coolant flows, however, it cannot be ruled out that the flow of the coolant is interrupted by a line break or blockage of the cooling coil, which could heat up the outer wall of the burner, which can lead to fire or burns. It is therefore expedient to provide a monitoring device which prevents the supply of fuel to the combustion chamber if the coolant fails

Aufgrund der Maßnahmen läßt sich also eine hohe Effizienz des Brenners bei gleichzeiti¬ ger Kühlung der Außenwand erzeugen, wobei eine große Sicherheit gewährleistet ist.Because of the measures, a high efficiency of the burner can be generated with simultaneous cooling of the outer wall, with great security being guaranteed.

Gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung ist in einem Bereich größerer Porenöffnungen des Materials eine Kühlvorrichtung zum Wärmetauschen vorgesehen. Mit Hilfe dieser Kühlvorrichtung, die als Kühlschlange ausgebildet sein kann, wird die Wärme im Brenner z.B. als Heißwasser oder Dampf abgeführt und kann in weiteren Pro- zessen zur Heizung oder zum Betrieb von Turbinen weiterverwendet werden. Im Gegen¬ satz zum Stand der Technik erfolgt die Wärmeübertragung hier nicht nur durch direkte Wechselwirkung des heißen Gases mit der Kühlvorrichtung, sondern zum größten Teil über das poröse Material, wodurch eine bessere Wärmeübertragung als beim Stand der Technik gewährleistet ist. Auch dieses Merkmal dient zur Erhöhung der Effizienz. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist eine Kühlung des Gehäuses vorgesehen, die mit der Kühlvorrichtung zum Wärmetauschen in Reihe geschaltet ist. Aufgrund dieser Maßnahme wird die Energie, die durch die Kühlung des Gehäuses im Kühlmittel aufgenommen wird, in denselben Kreis geführt, in dem die Wärme in dem Kühlmittel zum Wärmetauschen verwendet wird. Vorzugsweise wird das Kühlmittel dabei erst zur Kühlung des Gehäuses verwendet und anschließend in den Innenraum des Brenners geleitet, wo es mit dem porösen Material hoher Temperatur wechselwirkt Bei der Weiterbildung wird so die gesamte vom Brenner erzeugte Wärme im Kühlmittel auf¬ genommen, wodurch die Effizienz weiter erhöht wird.According to a preferred development of the invention, a cooling device for heat exchange is provided in an area of larger pore openings of the material. With the help of this cooling device, which can be designed as a cooling coil, the heat in the burner is dissipated, for example as hot water or steam, and can be used in further processes for heating or operating turbines. In contrast to the prior art, the heat transfer takes place here not only through direct interaction of the hot gas with the cooling device, but for the most part via the porous material, which ensures better heat transfer than in the prior art. This feature also serves to increase efficiency. According to a preferred development, cooling of the housing is provided, which is connected in series with the cooling device for heat exchange. As a result of this measure, the energy which is absorbed by the cooling of the housing in the coolant is conducted in the same circuit in which the heat in the coolant is used for heat exchange. The coolant is preferably only used to cool the housing and then passed into the interior of the burner, where it interacts with the porous material at high temperature is increased.

Je effektiver der Übergang der im Brenner erzeugten Wärme auf die Kühlvorrichtung innerhalb des Brenners ist, desto wirkungsvoller erfolgt die Wärmeübertragung. Außer¬ dem bildet die Kühlvorrichtung im Brenner einen weiteren Strömungswiderstand, der bei der Auslegung des porösen Materials im Bereich der Kühlvorrichtung berücksichtigt wer- den kann. Die Kühlvorrichtung wirkt dann also ähnlich wie das poröse Material. DieThe more effective the transfer of the heat generated in the burner to the cooling device inside the burner, the more effectively the heat transfer takes place. In addition, the cooling device in the burner forms a further flow resistance, which can be taken into account when designing the porous material in the area of the cooling device. The cooling device then acts similarly to the porous material. The

Menge porösen Materials kann dann verringert werden, wobei auch eine wirkungsvollere Wärmeübertragung erreicht wird, wenn die Kühlvorrichtung gemäß einer Weiterbildung selbst so ausgebildet ist, daß diese zumindest teilweise als poröses Material wirkt und/oder poröses Material ersetzt.The amount of porous material can then be reduced, a more effective heat transfer also being achieved if, according to a further development, the cooling device itself is designed such that it acts at least partially as a porous material and / or replaces porous material.

Bei der Optimierung eines Brenners sollte auch der Abstand der Kühlvorrichtung von der Flamme möglichst günstig gewählt werden. Die höchste Temperatur erreicht man zwar in der Nähe der Flamme, es können jedoch auch für geringere Temperaturen geeignete Materialien zur Ausbildung der Kühlvorrichtung ausgewählt werden, wenn diese sich au- ßerhalb des Flammbereichs befindet. Außerdem wird die Flamme durch die Kühlvorrich¬ tung nicht zusätzlich gekühlt, wenn diese außerhalb des Flammbereichs liegt, was die Stabilität der Flamme zusätzlich erhöht. Deswegen sieht eine vorzugsweise Weiterbildung der Erfindung vor, daß der Abstand der Kühlvorrichtung von dem Bereich mit der kriti¬ schen Peclet-Zahl mindestens so groß ist, daß die Kühlvorrichtung mit der Flamme nicht in Berührung steht. Auf die Wärmeübertragung von Flamme zur Kühlvorrichtung hat das aufgrund der guten Wärmeleitung im porösen Material nur wenig Einfluß.When optimizing a burner, the distance between the cooling device and the flame should also be selected as cheaply as possible. Although the highest temperature is reached in the vicinity of the flame, materials suitable for forming the cooling device can also be selected for lower temperatures if the cooling device is located outside the flame area. In addition, the flame is not additionally cooled by the cooling device if it is outside the flame area, which further increases the stability of the flame. For this reason, a preferred development of the invention provides that the distance of the cooling device from the area with the critical Peclet number is at least so large that the cooling device is not in contact with the flame. Because of the good heat conduction in the porous material, this has little influence on the heat transfer from the flame to the cooling device.

Um die Flamme durch die Kühlung des äußeren Gehäuses nicht zu beeinflussen, sieht eine vorzugsweise Weiterbildung der Erfindung vor, daß durch eine zusätzliche Vorrich- tung, z.B. einen Einsatz im Brennerraum ein Spalt mit einer Abmessung größer als 1mm zwischen der Innenwand des Gehäuses und dem Einsatz, in dem sich das poröse Material befindet, entsteht. Dadurch werden die CO-Emissionen, die durch unvollständige oder instabile Verbrennungen entstehen, weiter unterdrückt.In order not to influence the flame due to the cooling of the outer housing, a preferred development of the invention provides that a gap with a dimension greater than 1 mm between the inner wall of the housing and the insert is provided by an additional device, for example an insert in the burner chamber in which the porous Material is created. This further suppresses the CO emissions caused by incomplete or unstable combustion.

Versuche an Ausführungsbeispielen haben gezeigt, daß die höchste Effektivität dann er- reicht wird, wenn die Porosität mit Schüttgut erzeugt wird und die Kühlvorrichtung in ei¬ nem Abstand von 2 bis 4 Korngrößen der Schüttung von dem Grenzbereich mit der kriti¬ schen Pέclet-Zahl 65 angeordnet ist. Allgemein ist gemäß einer Weiterbildung zu erwar¬ ten, daß sich die günstigten Bedingungen dann ergeben, wenn die Kühlvorrichtung von der Zone mit der für die kritische Pέclet-Zahl erforderlichen Porosität soweit entfernt ist, daß sie nicht in den Flammenbereich eintaucht.Tests on exemplary embodiments have shown that the highest effectiveness is achieved when the porosity is generated with bulk material and the cooling device at a distance of 2 to 4 grain sizes of the bulk material from the boundary region with the critical Pέclet number 65 is arranged. In general, it can be expected according to a further development that the favorable conditions result when the cooling device is so far away from the zone with the porosity required for the critical Pέclet number that it does not immerse into the flame area.

Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist am Brenner eine Zündvorrichtung so angeordnet, daß die Entflammung des Gas-/Luftgemisches in einem Bereich mit einer Porosität erfolgt, die die kritische Pέclet-Zahl aufweist. Im Prinzip könnte das Gas-/Luttgemisch an allen Stellen des Brenners entzündet werden, an denen ein brennfähiges Gas-/Luftgemisch vorhanden ist, beispielsweise vom Auslaß her. Gemäß der Weiterbildung erfolgt die Zündung aber in einem Bereich, in dem die Po¬ rosität die kritische Pέclet-Zahl aufweist Dadurch wird die Flamme genau in dem Bereich gezündet, indem sie auch im stabilen Zustand brennt. Aufgrund dessen wird eine hohe Stabilität schon im Zeitpunkt der Entflammung bewirkt, da an anderen Stellen erst einAccording to another preferred development, an ignition device is arranged on the burner so that the gas / air mixture is ignited in a region with a porosity that has the critical P kritclet number. In principle, the gas / air mixture could be ignited at all points on the burner where a combustible gas / air mixture is present, for example from the outlet. According to the development, however, the ignition takes place in an area in which the porosity has the critical Petclet number. As a result, the flame is ignited precisely in the area by burning even in the stable state. Because of this, a high level of stability is achieved at the time of ignition, since there is only one in other places

Rückschlagen der Flamme erfolgen müßte, das jedoch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten des Brennstoffes gar nicht möglich ist. In diesem Fall könnte eine Zündung nur bei zwischenzeitlicher Reduzierung des Brennstofflusses erfol¬ gen. Das Merkmal der Weiterbildung reduziert also den apparativen Aufwand für einen erfindungsgemäßen Brenner in hohem Maß, da eine Regelung des Zündvorganges un¬ terbleiben kann.Flashback would have to take place, but this is not possible at high fuel flow rates. In this case, ignition could only take place if the fuel flow is reduced in the meantime. The feature of the further development therefore greatly reduces the outlay on equipment for a burner according to the invention, since regulation of the ignition process can be omitted.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zwischen Einlaß und porösem Material eine Flammenfalle angeordnet. Aufgrund des porösen Materials ist zwar kein Rückschlagen der Flamme zu erwarten, da die Peclet-Zahl im Einlaßbereich keine Ausbildung einer Flamme erlaubt. Dennoch ist vor allem aus Sicherheitsgründen eine Flammenfalle vorgesehen, die beispielsweise dann wichtig sein kann, wenn nach Reinigungsarbeiten das die hohe Porosität aufweisende Schüttgut versehentlich in den Einlaßbereich eingefüllt worden ist Die Flammenfalle sollte, da sie im Normalfall nicht benötigt wird, möglichst einfach aus¬ gebildet sein. Gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung ist die Flammenfalle eine Platte, die eine Vielzahl von Löchern mit einem Durchmesser kleiner als der für die jeweiligen Brennstoffe kritische "quenching" Durchmesser aufweist. Es hat sich gezeigt, daß diese Flammenfalle bei Erdgas/Luftgemischen wirksam ist. Ihr großer Vorteil liegt vor allem in der Einfachheit der Herstellung und in der sehr kostengünstigen Ausführung. Der Auf¬ wand für die Flammenfalle wird daher gering gehalten und bleibt vertretbar, so daß eine zusätzliche Flammenfalle wirtschaftlich vertretbar eingesetzt werden kann, obwohl sie im Normaffall für den erfindungsgemäßen Brenner nicht notwendig istAccording to another advantageous development of the invention, a flame trap is arranged between the inlet and the porous material. Because of the porous material, the flame is not expected to kick back, since the Peclet number in the inlet area does not permit the formation of a flame. Nevertheless, a flame trap is provided primarily for safety reasons, which can be important, for example, if the bulk material having the high porosity has been accidentally filled into the inlet area after cleaning work The flame trap should be as simple as possible since it is normally not required. According to a preferred further development, the flame trap is a plate which has a large number of holes with a diameter smaller than the "quenching" diameter critical for the respective fuels. It has been shown that this flame trap is effective with natural gas / air mixtures. Their main advantage lies in the simplicity of manufacture and the very inexpensive design. The outlay for the flame trap is therefore kept low and remains justifiable, so that an additional flame trap can be used in an economically justifiable manner, although it is not normally necessary for the burner according to the invention

Aufgrund der hohen Leistungsdichte und der großen Menge Materials zur Aufnahme von Wärme ist es auch einfach, den erfindungsgemäßen Brenner nach Art eines Brennwertkessels zu betreiben, da die Abgastemperatur bei diesen stark reduziert ist. Das dabei jedoch entstehende Kondensat muß abgeführt werden. Dies ist bei dem erfin- dungsgemäßen Brenner einfach zu bewerkstelligen, denn es wurden bei Versuchsmo¬ dellen festgestellt, daß diese in jeder Lage, sogar mit Flamm entwicklung entgegen der Schwerkraft, betrieben werden können. Bei einem mit dem Auslaß nach unten angeord¬ neten Brenner würde das Kondensat in einfacher Weise durch diesen abfließen können, so daß keine zusätzlichen Maßnahmen getroffen werden müssen. Deshalb sieht eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung vor, daß Einlaß, Auslaß und poröses Material so angeordnet sind, daß entstehendes Kondensat durch den Auslaß abfließen kann.Due to the high power density and the large amount of material for absorbing heat, it is also easy to operate the burner according to the invention in the manner of a condensing boiler, since the exhaust gas temperature is greatly reduced in these. The resulting condensate must be removed. This is easy to achieve in the burner according to the invention, because it has been found in test models that these can be operated in any position, even with flame development against gravity. In the case of a burner arranged with the outlet facing downward, the condensate would be able to flow away through it in a simple manner, so that no additional measures have to be taken. A preferred development of the invention therefore provides that the inlet, outlet and porous material are arranged in such a way that any condensate formed can flow out through the outlet.

Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus den nachfolgend anhand der Zeichnungen beschriebenen Ausführungsbeispielen.Further measures and advantages of the invention also result from the exemplary embodiments described below with reference to the drawings.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des Brenners mit drei Zonen;Figure 1 shows a first embodiment of the burner with three zones.

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform des Brenners mit zwei Zonen;2 shows a further embodiment of the burner with two zones;

Fig. 3 ein Diagramm für Peclet-Zahlen in Abhängigkeit des Ku¬ geldurchmessers bei einer Kugelschüttung,3 shows a diagram for Peclet numbers as a function of the ball diameter in the case of a ball bed,

Fig. 4 ein Diagramm für den Temperaturverlauf innerhalb des porösen Materials bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2, Fig. 5 einen Schnitt durch einen als Wassererhitzer oder Dampferzeuger aus¬ gelegten Brenner entsprechend der in Fig. 2 gezeigten, jedoch mit dem Auslaß nach unten angeordneten Ausführungsform und4 shows a diagram for the temperature profile within the porous material in the embodiment according to FIG. 2, 5 shows a section through a burner designed as a water heater or steam generator corresponding to the embodiment shown in FIG. 2, but with the outlet arranged downwards, and

Fig. 6 einen Schnitt durch einen mit einem Einsatz versehenen Brenner.Fig. 6 shows a section through a burner provided with an insert.

Die Flammentwicklung in porösem Material ist bereits durch mehrere Wissenschaftler untersucht und beschrieben worden, insbesondere durch V.S. Babkin, A.A. Korzhavin und V.A. Bunev in "Propagation of Premixed Gaseous Explosion Fla es in Porous Me¬ dia, Combustion and Flame", Volume 87, 1991 , S. 182 bis 190. Von diesen Autoren wurde der folgende Ausbreitungsmechanismus für Flammen beschrieben.The development of flame in porous material has already been investigated and described by several scientists, in particular by V.S. Babkin, A.A. Korzhavin and V.A. Bunev in "Propagation of Premixed Gaseous Explosion Fla es in Porous Media, Combustion and Flame", Volume 87, 1991, pp. 182 to 190. The authors have described the following flame propagation mechanism.

Im porösen Material werden Turbulenzen im Brennstoffluß erzeugt. Eine positive Rück- kopplung zwischen Flammenbeschleunigung und der Erzeugung von Turbulenzen wird durch lokale Unterdrückung von den chemischen Reaktionen aufgrund intensiven Wär- meaustauschens in der turbulenten Flammenzone gedämpft. Wenn die charakteristische Zeit des thermischen Ausgleichs kleiner wird als die chemische Konversion, wird die Flammbildung verhindert. Da außerdem bei turbulenter Strömung die verschiedensten Geschwindigkeiten auftreten, werden die Anteile der Flamme mit maximalen Geschwin¬ digkeiten unterdrückt, wodurch eine stabile Flammenausbreitung erzeugt wird.Turbulence is generated in the fuel flow in the porous material. A positive feedback between flame acceleration and the generation of turbulence is dampened by local suppression by the chemical reactions due to intensive heat exchange in the turbulent flame zone. If the characteristic time of thermal compensation becomes shorter than the chemical conversion, the flame formation is prevented. Since, in addition, a wide variety of speeds occur in turbulent flow, the proportions of the flame are suppressed at maximum speeds, as a result of which stable flame propagation is generated.

Die Experimente der Autoren führten zu einer kritischen Pέclet-Zahl von 65 +/- 25 für die Flammenfortpflanzung in porösem Material, wobei die Varianz im wesentlichen durch ex- trem unterschiedliche Gaszusammensetzungen gegeben ist Bei Erdgas/Luftgemischen ist aber im wesentlichen eine Pέclet-Zahl von 65 zu erwarten.The authors' experiments led to a critical Pέclet number of 65 +/- 25 for flame propagation in porous material, whereby the variance is essentially given by extremely different gas compositions. In the case of natural gas / air mixtures, however, there is essentially a Pέclet number of 65 to be expected.

Die Pέclet-Zahl läßt sich durch die folgende Gleichung errechnen:The Pέclet number can be calculated using the following equation:

P_e = (SL m^cp$> -P _e = (SL m ^c p $> -

wobei S_|_ die laminare Flammengeschwindigkeit, d_m der äquivalente Durchmesser für den mittleren Hohlraum des porösen Materials, Cp die spezifische Wärme des Gasgemi¬ sches^", ^Tdie Dichte des Gasgemisches und λ die Wärmeleitzahl des Gasgemisches ist. Die Gleichung zeigt daß die Bedingungen für die Flammentwicklung im wesentlichen vonwhere S _| _ the laminar flame speed, d _m the equivalent diameter for the central cavity of the porous material, Cp the specific heat of the gas mixture ^" , ^ T is the density of the gas mixture and λ is the thermal conductivity of the gas mixture. The equation shows that the conditions for the flame development essentially of

Gasparametern abhängen, und die Eigenschaften des porösen Materials nur über d_m in die Gleichung eingehen. Die Pέclet-Zahl ist also im wesentlichen unabhängig von den Materialeigenschaften und nur abhängig von der Porosität. Es können also bei erfin_¬ dungsgemäßen Brennern die verschiedensten Materialien bzw. geometrische Formen als poröses Material verwendet werden.Gas parameters depend, and the properties of the porous material only over d _m in enter the equation. The Pέclet number is therefore essentially independent of the material properties and only dependent on the porosity. It can therefore at OF INVENTION _¬ to the invention burners different materials and geometric shapes are used as the porous material.

Im übrigen sind alle in die Gleichung eingehenden Werte meßbar, so daß mit Hilfe der angegebenen Gleichung eine technische Lehre gegeben ist, die sich auf die verschie_¬ densten Gasgemische anwenden läßt.Incidentally, all are measurable in the equation incoming values so that a technical teaching is given with the stated equation that can be applied to the various _¬ densten gas mixtures.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Brenner mit einem Gehäuse 1, welches einen Einlaß 2 für das Gas-/Luftgemisch und einen Auslaß 3 für die Abgase aufweist. In einem Abstand vom Einlaß 2 ist eine Flammenfalle 4 vorgesehen, welche den Innenraum des Gehäuses 1 unterteilt Der zwischen dieser Flammenfalle 4 und dem Auslaß 3 gele_¬ gene Teil des Innenraumes des Gehäuses 1 ist mit einem porösen Material 5 ausgefüllt. Weiter ist eine Zündvorrichtung 6 zur Zündung des Gasgemisches vorgesehen.Fig. 1 shows a schematic representation of a burner with a housing 1 which has an inlet 2 for the gas / air mixture and an outlet 3 for the exhaust gases. At a distance from the inlet 2 a flame trap 4 is provided, which divides the interior of the housing 1 of the gels between this flame trap 4 and the outlet 3 _¬ gene part of the inner space of the housing 1 is filled with a porous material. 5 An ignition device 6 is also provided for igniting the gas mixture.

Das Gas-/Luftgemisch tritt durch den Einlaß 2 ein und die Abgase verlassen den Brenner durch den Auslaß 6. Das poröse Material 5 weist örtlich unterschiedliche Porositäten auf, und zwar entsprechend den unterschiedlich schraffierten Zonen A, B und C. In Zone A sind die Poren so klein, daß die sich daraus ergebende Peclet-Zahl kleiner als die kriti¬ sche Pέclet-Zahl (65 für Erdgas/Luftgemische) ist. Die kritische Peclet-Zahl ist der Grenzwert, oberhalb dem eine Flamme entstehen kann bzw. unterhalb dem eine Flamme unterdrückt wird. In Zone C ist die Peclet-Zahl wesentlich größer als die kritische Pέclet- Zahl, so daß sich dort eine Flamme entwickeln kann. Zone B stellt einen Übergangsbe- reich dar, innerhalb dem die Porosität die kritische Pέclet-Zahl erreicht.The gas / air mixture enters through the inlet 2 and the exhaust gases leave the burner through the outlet 6. The porous material 5 has locally different porosities, specifically according to the differently hatched zones A, B and C. In zone A there are Pores so small that the resulting Peclet number is smaller than the critical Pέclet number (65 for natural gas / air mixtures). The critical Peclet number is the limit above which a flame can develop or below which a flame is suppressed. In zone C the peclet number is significantly larger than the critical pέclet number, so that a flame can develop there. Zone B represents a transition area within which the porosity reaches the critical Pέclet number.

Nach den dargestellten Erkenntnissen über die Flammentwickiung im porösen Material, kann die Flamme nur in Zone B entstehen, und zwar nur an den Stellen, an denen die Porosität die kritische Pέclet-Zahl erreicht. Das poröse Material kühlt dabei die Flamme, so daß nur wenig NO_x erzeugt wird. Die Innenflächen der Hohlräume des porösen Mate¬ rials, insbesondere des der Zone B, können auch mit einem Katalysator beschichtet wer_¬ den, wodurch eine weitere Verringerung des NO_x und CO -Anteils im Abgas erreicht wird.According to the knowledge about the flame development in the porous material, the flame can only arise in zone B, and only at the points where the porosity reaches the critical Pέclet number. The porous material cools the flame so that only little NO _{x is} generated. The inner surfaces of the cavities of the porous Mate¬ material, namely of the zone B may also be coated with a catalyst who _¬, whereby a further reduction of the NO _x and CO stake is achieved in the exhaust gas.

Aufgrund der oben dargestellten physikalischen Gesetzmäßigkeiten für die Flamment- wicklung in porösem Material wird sich die Flamme in der Zone B stabilisieren, und zwar an Orten, an denen das Gas-/Luftgemisch gerade die kritische Pέclet-Zahl erreicht. Dies bedeutet aber auch, daß sich die Flammenansätze bei starken Änderungen der physikali¬ schen Parameter innerhalb der Region B verschieben können, so daß eine örtliche Flammenstabilität prinzipiell nicht gegeben ist Andererseits hat die durch die Zone B ge¬ gebene Übergangsschicht den Vorteil, daß sich die Flammenfront bei den kleinstmögfh . chen Hohlräumen stabilisiert, wodurch der bestmögliche Wärmeübergang von derDue to the physical laws for flame development in porous material described above, the flame will stabilize in zone B, in places where the gas / air mixture just reaches the critical Pέclet number. This but also means that the flame attachments can shift within the region B when there are strong changes in the physical parameters, so that local flame stability is in principle not given. On the other hand, the transition layer given by zone B has the advantage that the flame front changes at the smallest possible Chen cavities stabilized, whereby the best possible heat transfer from the

Flamme zum porösen Material gewährleistet istFlame to the porous material is guaranteed

Wird jedoch auf eine örtlich stabile Flamme Wert gelegt, kann ein Brenner nach dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel verwendet werden. Bei diesem ist gegenüber dem in Fig. 1 beschriebenen die Zone B weggelassen worden, so daß nur die zwei Zonen A und C vorhanden sind. Hier stabilisiert sich die Flamme aufgrund der oben dargestellten Gesetzmäßigkeiten an der Grenzschicht zwischen Zone A und Zone C. Die Flamme ist also durch die Grenzfläche festgelegt und daher ortsstabil. Aufgrund der Varianz von +/- 25 der angegebenen Pέclet-Zahl von 65 ist es vorteilhaft, in Zone A eine Porosität vorzu- sehen, deren Pέclet-Zahl kleiner als 40 ist und in Zone C eine Porosität die einer Pέclet-However, if value is attached to a locally stable flame, a burner according to the exemplary embodiment shown in FIG. 2 can be used. Zone B has been omitted from that described in FIG. 1, so that only the two zones A and C are present. Here, the flame stabilizes at the boundary layer between Zone A and Zone C based on the laws described above. The flame is therefore defined by the interface and is therefore stable in place. Due to the variance of +/- 25 of the specified Pέclet number of 65, it is advantageous to provide a porosity in zone A whose Pέclet number is less than 40 and in Zone C a porosity that of a Pέclet

Zahl von größer 90 entspricht. Dann bestimmt die Grenzschicht für einen großen Bereich von GasTLuftgemischen den Ort der Flammentwicklung, wodurch die Stabilität für einen großen Bereich von Gasparametern gewährleistet wird.Number greater than 90 corresponds. The boundary layer then determines the location of the flame development for a large range of gas / air mixtures, which ensures the stability for a large range of gas parameters.

Für das poröse Material können unterschiedliche Materialien, z.B. Keramikwerkstoffe, verwendet werden. Es sind aber auch hitzebeständige Schaumkunststoffe möglich. Bei den folgenden Betrachtungen wird als poröses Material Schüttgut verwendet Bei Schütt¬ gut mit runden Körnern läßt sich der in die Gleichung für die Pέclet-Zahl eingehende Pa¬ rameter d_m für die Porosität aufgrund von geometrischen Überlegungen berechnen als d_m wobei <f der Durchmesser der kugelförmigen Körner des Schüttguts ist.Different materials, for example ceramic materials, can be used for the porous material. However, heat-resistant foam plastics are also possible. In the following considerations, bulk material is used as the porous material. In the case of bulk material with round grains, the parameter d _m for the porosity, which is included in the equation for the Pέclet number, can be calculated as d _m on the basis of geometric considerations where <f is the diameter of the spherical grains of the bulk material.

Entsprechend der oben angegebenen Gleichung wurden für Erdgas/Luftgemisch Pέclet- Zahlen in Abhängigkeit vom Durchmesser^β berechnet, die in Fig. 3 dargestellt sind. Für die Berechnung wurde eine stöchiometrische laminare Flammengeschwindigkeit S_|_ von 0,4mm pro see angenommen. Die Pέclet-Zahl von 65 wird bei einem Kugelradius vonAccording to the equation given above, P Durchmesserclet numbers depending on the diameter ^{β were} calculated for natural gas / air mixture, which are shown in FIG. 3. A stoichiometric laminar flame speed S _| _ assumed of 0.4mm per lake. The Pέclet number of 65 is at a sphere radius of

9mm erreicht, während die genannten Pέclet-Zahlen von 40 bzw. 90 bei 6mm bzw. bei 12,5mm gegeben sind.9mm reached, while the mentioned Pέclet numbers of 40 and 90 are given at 6mm and 12.5mm.

In einem Versuchsaufbau gemäß Fig. 2 wurden Körner mit Durchmessern von 5mm in Zone A und 11mm in Zone C verwendet Dabei wurden unterschiedlichste Testmateria¬ lien verwendet, z.B. Kugeln aus poliertem Stahl sowie Keramikkörner unterschiedlichster Zusammensetzungen und Größen, wie Steatit, Stemalox oder Al₂0₃. Es zeigte sich, daß die erfindungsgemäßen Vorteile bei allen Materialien erreicht wurden.In a test setup according to FIG. 2, grains with diameters of 5 mm in zone A and 11 mm in zone C were used. A wide variety of test materials were used, for example balls made of polished steel and ceramic grains of the most varied types Compositions and sizes, such as steatite, Stemalox or Al ₂ 0 ₃ . It was found that the advantages according to the invention were achieved with all materials.

Der Temperaturverlauf in Flußrichtung des GasTLuftgemisches in einem derartigen Ver- suchsbrenner ist in Fig. 4 für verschiedene Leistungen dargestellt, wobei der Mantel von außen gekühlt wurde. Es zeigte sich, daß selbst bei hohen Leistungen von 9kW die höchste Temperatur unter 1500°C lag. Deshalb können alle Materialien verwendet wer¬ den, die bis 1500°C temperaturstabil sind.The temperature profile in the direction of flow of the gas / air mixture in such a test burner is shown in FIG. 4 for various outputs, the jacket being cooled from the outside. It was shown that even at high power of 9kW the highest temperature was below 1500 ° C. Therefore, all materials can be used that are temperature stable up to 1500 ° C.

In Fig. 4 ist eine erste senkrechte Linie eingezeichnet, die die Grenzfläche zwischen derIn Fig. 4, a first vertical line is drawn, which is the interface between the

Zone A und der Zone C darstellt. Es ist deutlich erkennbar, daß die höchste Temperatur an der Grenzfläche bzw. bezüglich kurz hinter der Grenzfläche in der Zone C entstehtZone A and Zone C. It can be clearly seen that the highest temperature occurs at the interface or in relation to just behind the interface in zone C.

Weiter ist aus Fig. 4 erkennbar, daß die Temperaturen zum Auslaß 3 (zweite senkrechte Linie) hin stark abfallen. Es kann also mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Brenners eineIt can also be seen from FIG. 4 that the temperatures towards the outlet 3 (second vertical line) drop sharply. So it can with the help of a burner according to the invention

Abgastemperatur unterhalb des Taupunkts erreicht werden, wodurch sich die Vorteile ei¬ nes Brennwertkessels ergeben. Allerdings muß aber das dabei entstehende Kondensat abgeführt werden. Es hat sich gezeigt, daß der Brenner unabhängig von seiner Lage zum Schwerefeld der Erde stabil arbeitet, so daß er auch waagerecht oder mit dem Auslaß 3 nach unten betrieben werden kann. Bei dieser letzten Anordnung kann das Kondensat aus dem Brenner herausfließen.Exhaust gas temperature can be reached below the dew point, which results in the advantages of a condensing boiler. However, the resulting condensate must be removed. It has been shown that the burner works stably regardless of its position in relation to the gravitational field of the earth, so that it can also be operated horizontally or with the outlet 3 downwards. With this last arrangement, the condensate can flow out of the burner.

Die niedrige Gastemperatur am Auslaß zeigt auch, daß die Wärme des verbrannten Gas- /Luftgemisch fast vollständig von dem porösen Material aufgenommen wird, wodurch der Bau eines Wärmetauschers mit großer Effizienz ermöglicht wird. Mit einem Brenner nach dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ist es möglich, einen Wassererhitzer mit einer Lei¬ stung von 5kW eine Abgastemperatur von 60^βC und einem Wirkungsgrad von 95% zu bauen. Die baulichen Abmessungen des Brenners konnten dabei sehr klein gehalten werden, so betrug die Länge des Brenners nur 15cm und der Durchmesser 8cm. Die ge- ringen Abmessungen sind vor allem auf die hohe Leistungsdichte zurückzuführen, die mitThe low gas temperature at the outlet also shows that the heat of the burned gas / air mixture is almost completely absorbed by the porous material, which enables the construction of a heat exchanger with great efficiency. With a burner according to the embodiment of FIG. 2, it is possible to provide a water heater with a Lei¬ stung from 5kW to build an exhaust gas temperature of 60 C ^β and an efficiency of 95%. The structural dimensions of the burner could be kept very small, so the length of the burner was only 15 cm and the diameter 8 cm. The small dimensions are mainly due to the high power density, which is with

Hilfe von porösem Material erreicht werden kann.Help of porous material can be achieved.

Fig. 4 zeigt auch, daß die höchsten Temperaturen kurz hinter der Grenzfläche zwischenFigure 4 also shows that the highest temperatures are just behind the interface between

Zone A und Zone C entstehen. Hieraus folgt, daß für die Erzeugung heißen Dampfes die Wärmeübertragung von der Flamme auf das zu erhitzende Wasser in der Nähe dieserZone A and Zone C are created. It follows that for the generation of hot steam, the heat transfer from the flame to the water to be heated in the vicinity of this

Grenzfläche stattfinden sollte. Eine das zur Dampferzeugung vorgesehene Wasser füh- rende Kühlvorrichtung sollte daher in dem Bereich des porösen Materials verlaufen, der ungefähr 3cm von der Grenzfläche entfernt ist.Interface should take place. One carries the water intended for steam generation The cooling device should therefore run in the area of the porous material which is approximately 3 cm from the interface.

Unabhängig hiervon ist es im allgemeinen zweckmäßig, die Kühlvorrichtung nicht zu nah . an der Flamme anzuordnen, da die Flamme zur Erhaltung ihrer Stabilität nicht selbst ab¬ gekühlt werden soll. Deswegen ist es vorteilhaft, die Kühlvorrichtung in die Nähe der Grenzschicht zu verlegen, aber nicht in den Flammbereich. Sollten Materialprobleme auf¬ grund der hohen Temperaturen bei der Ausführung der Kühlvorrichtung entstehen, sind größere Abstände vorzuziehen.Regardless of this, it is generally advisable not to close the cooling device. to be arranged on the flame, since the flame should not itself be cooled to maintain its stability. It is therefore advantageous to move the cooling device in the vicinity of the boundary layer, but not in the flame area. If material problems arise due to the high temperatures during the execution of the cooling device, larger distances are preferable.

Fig. 5 zeigt den schematischen Aufbau eines zum Erhitzen von Wasser bzw. zum Erzeu¬ gen von Dampf geeigneten Brenners. Dieser umfaßt im wesentlichen -wieder das Ge¬ häuse 1, den Einlaß 2, den Auslaß 3, die Flammenfalle 4, die Zündeinrichtung 6 und das poröse Material 5. Der Brenner ist mit seinem Auslaß 3 nach unten angeordnet, so daß Kondensat leicht abfließen kann. Das poröse Material 5 ist nur schematisch durch gleich¬ große Kugeln angedeutet. Dies entspricht nicht den realen Gegebenheiten, denn die Po¬ rosität des porösen Materials ändert sich ja entlang der Flußrichtung des Gas- /Luftgemisch, wobei die Kugeln im Einlaßbereich einen geringeren Durchmesser als im Auslaßbereich aufweisen.5 shows the schematic structure of a burner suitable for heating water or for generating steam. This essentially comprises again the housing 1, the inlet 2, the outlet 3, the flame trap 4, the ignition device 6 and the porous material 5. The burner is arranged with its outlet 3 downward, so that condensate can flow off easily . The porous material 5 is only indicated schematically by balls of the same size. This does not correspond to the real situation, since the porosity of the porous material changes along the direction of flow of the gas / air mixture, the balls having a smaller diameter in the inlet area than in the outlet area.

Die Grenzfläche zwischen den oben beschriebenen Zonen A und C ist durch eine unter¬ brochene Linie 7 angedeutet. Wie vorstehend schon erläutert, entsteht die Flamme an dieser Grenzfläche 7 und überträgt ihre Wärme im wesentlichen in einem Bereich von wenigen cm in der Region C auf das poröse Material.The interface between zones A and C described above is indicated by a broken line 7. As already explained above, the flame arises at this interface 7 and essentially transfers its heat to the porous material in a region of a few cm in region C.

Zusätzlich ist eine das Gehäuse 1 umgehende bzw. dieses sogar bildende äußere Kühl¬ vorrichtung 8 vorgesehen, die als um das Gehäuse 1 angeordnete Kühlschlange ausge¬ bildet sein kann und die Wärmeabfuhr nach außen verhindert. Die Kühlschlange wird von Wasser durchflössen und ist mit einem Wasserwächter versehen, der bei Ausfall von Kühlmittel den Zustrom des GasVLuftgemisch in den Einlaß 2 unterbricht, so daß dasIn addition, an external cooling device 8 is provided which surrounds or even forms the housing 1, which can be designed as a cooling coil arranged around the housing 1 and prevents heat dissipation to the outside. The cooling coil is flowed through by water and is provided with a water monitor which interrupts the inflow of the gas / air mixture into inlet 2 in the event of coolant failure, so that the

Gehäuse 1 stets gekühlt wird, wenn der Brenner in Betrieb ist. So wird sichergestellt, daß sich die Außenwand nicht zu stark erwärmen kann, wodurch wiederum verhindert wird, daß man sich am Gehäuse verbrennen kann oder von diesem ein Brand ausgelöst wird. Die von der Gehäusewand durch die Kühlschlange abgeführte Wärme kann weiterver- wendet werden, dadurch erhöht sich die Effizienz bei der Heißwasser- oder Dampfer¬ zeugung. Weiter zeigt Fig. 5 die Anordnung einer inneren Kühivo ichtung 9, die sich vom Auslaß 3 her bis kurz vor die Grenzfläche 7 in das poröse Material der Zone C erstrecktHousing 1 is always cooled when the burner is in operation. This ensures that the outer wall cannot heat up too much, which in turn prevents the housing from being burned or starting a fire. The heat dissipated from the housing wall by the cooling coil can be reused, which increases the efficiency in the production of hot water or steam. 5 shows the arrangement of an inner cooling seal 9 which extends from the outlet 3 to just before the interface 7 into the porous material of zone C.

Die innere Kühlvorrichtung 9 ist nur schematisch angedeutet, in der Praxis kann sie z.B. die Form einer Spirale aufweisen, damit ein möglichst guter Wärmeübergang vom po¬ rösen Material 5 gewährleistet ist. Es sind aber auch kompliziertere Ausführungsformen für die Kühlvorrichtung 9 denkbar. So kann diese beispielsweise selbst das poröse Mate¬ rial bilden bzw. zur Porosität beitragen, wodurch ein noch besserer Wärmeübergang möglich wird.The internal cooling device 9 is only indicated schematically, in practice it can e.g. have the shape of a spiral so that the best possible heat transfer from the porous material 5 is ensured. However, more complicated embodiments for the cooling device 9 are also conceivable. For example, it can itself form the porous material or contribute to the porosity, as a result of which an even better heat transfer is possible.

Die äußere Kühlvorrichtung 8 ist m^'rt der- inneren. Kühlvorrichtung 9 in Reihe verbunden, wodurch das schon durch das Gehäuse 1 vorgewärmte Wasser in die innere Kühlvor¬ richtung 9 geführt wird und zur Erhitzung des Wassers bzw. für die Erzeugung von Dampf mitverwendet wird.The outer cooling device 8 is m ^'rt inner DER. Cooling device 9 connected in series, whereby the water which has already been preheated through the housing 1 is guided into the inner cooling device 9 and is used for heating the water or for generating steam.

Um zu vermeiden, daß die Flamme im Brennraum nicht durch zu starke Abkühlung durch die äußere Kühlvorrichtung 8 beeinflußt wird, ist, wie aus Fig. 6 ersichtlich, im Flammbe¬ reich des Brennraumes ein Einsatz 10, der aus einem geeigneten Material besteht, vorgesehen, der das poröse Material 5 aufnimmt und die Innenwand des Gehäuses 1 ge¬ gen direkte Wärmebestrahlung abschirmt Der Einsatz 10 kann auch so ausgebildet sein, daß er in einem Abstand von der Innenwand des Gehäuses 1 angeordnet ist, so daß sich zwischen der Innenwand und dem Einsatz 10 ein Spalt 11 bildet, der frei von dem brennbaren Gas-/Luftgemisch ist. Durch diese Ausbildung des Brennraumes im Flammbereich werden die CO-Emissionen, die durch unvollständige oder instabile Verbrennung entstehen, weiter unterdrückt.In order to prevent the flame in the combustion chamber from being influenced by excessive cooling by the external cooling device 8, an insert 10, which consists of a suitable material, is provided in the flame area of the combustion chamber, as can be seen from FIG. 6. which receives the porous material 5 and shields the inner wall of the housing 1 against direct heat radiation. The insert 10 can also be designed such that it is arranged at a distance from the inner wall of the housing 1 so that there is between the inner wall and the insert 10 forms a gap 11 which is free of the combustible gas / air mixture. This design of the combustion chamber in the flame area further suppresses the CO emissions caused by incomplete or unstable combustion.

Die Flammenfalle 4 soll ein Rückschlagen der Flamme verhindern. Grundsätzlich ist sie bei dem erfindungsgemäßen Brenner nicht notwendig, da die Flamme wegen der gerin- gen Pέclet-Zahl in der Zone A nicht zum Einlaß 2 durchschlagen kann, sie ist also ledig¬ lich zur Erhöhung der Sicherheit vorgesehen. Die Flammeπfalle besteht im Ausführungs¬ beispiel gemäß Fig. 5 aus einem 4mm dicken Stahlblech, in das eine Vielzahl von Lö¬ chern mit einem Durchmesser von 1 mm gebohrt wurde, wobei die Dichte der Löcher klei¬ ner als 20/cm² ist. Die Zündeinrichtung 6 befindet sich in der Nähe der Grenzfläche 7, um eine besonders wirkungsvolle Zündung zu ermöglichen. Im Ausführungsbeispiel brennt die Flamme selbststabilisierend an der Grenzfläche 7.The flame trap 4 is intended to prevent the flame from kicking back. Basically, it is not necessary in the burner according to the invention, since the flame cannot penetrate to inlet 2 in zone A due to the low Pέclet number, it is therefore only intended to increase safety. The flame trap in the exemplary embodiment according to FIG. 5 consists of a 4 mm thick steel sheet into which a large number of holes with a diameter of 1 mm have been drilled, the density of the holes being less than 20 / cm ² . The ignition device 6 is located in the vicinity of the interface 7 in order to enable a particularly effective ignition. In the exemplary embodiment, the flame burns self-stabilizing at the interface 7.

Es wurden auch Versuche mit einer Zündung vom Auslaß 3 her durchgeführt. Diese Art der Zündung war jedoch nachteilig, da die Geschwindigkeit der Flammenfront der freien Flamme vergleichsweise gering zu der Flammengeschwindigkeit im porösen Material ist. Ein Rückschlagen der Flamme vom Auslaß 3 zur Grenzfläche 7 war nur möglich, wenn die mittlere Geschwindigkeit des Gas-/Luftgemisches am Auslaß 3 gering gehalten wurde. Eine Zündung vom Auslaß 3 her würde also eine zusätzliche Regelung erfordern, bei der die Strömungsgeschwindigkeit des GasVLuftgemisches erst gedrosselt und dann nach Entflammung an der Grenzfläche 7 wieder erhöht wird. Hieraus ergibt sich der Vor¬ teil einer Zündung in Nähe der Grenzfläche 7, die komplizierte Regelungs-Lösungen für das Gas-/Luftgemisch nicht erfordert.Experiments with ignition from outlet 3 have also been carried out. However, this type of ignition was disadvantageous because the flame front velocity of the free flame is comparatively low compared to the flame velocity in the porous material. The flame could only strike back from outlet 3 to interface 7 if the average velocity of the gas / air mixture at outlet 3 was kept low. Ignition from outlet 3 would therefore require additional control, in which the flow velocity of the gas / air mixture is first throttled and then increased again at interface 7 after ignition. This results in the advantage of an ignition in the vicinity of the interface 7, which does not require complicated control solutions for the gas / air mixture.

Die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen den einfachen Aufbau des erfin¬ dungsgemäßen Brenners bei geringer Temperatur, guter Wärmeübertragung sowie einer stabilen Flamme. Bei unvollständiger Verbrennung ist es bei den erfindungsgemäßen Brennern auch möglich, diese überstöchiometrisch zu betreiben oder durch das Vorsehen von Katalysatormaterial in dem porösen Material eine bessere Verbrennung durchzufüh¬ ren, wobei der Schadstoffanteil im Abgas noch weiter reduziert wird. The exemplary embodiments described above show the simple construction of the burner according to the invention at low temperature, good heat transfer and a stable flame. In the case of incomplete combustion, it is also possible for the burners according to the invention to operate them in a stoichiometric manner or to carry out better combustion by providing catalyst material in the porous material, the pollutant content in the exhaust gas being reduced still further.

Claims

Ansprüche Expectations

1. Brenner mit einem Gehäuse (1 ), das einen Brennraum mit einem Einlaß (2) für ein Gas-/Luftgemisch als Brennstoff und einen Auslaß (3), für das Abgas aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) ein poröses Material (5) mit zusammenhängen¬ den Hohlräumen enthält, dessen Porosität sich längs des Brennraumes so ändert, daß die Porengröße in Flußrichtung des Gas-/Luftgemisches vom Einlaß (2) zum Auslaß (3) zunimmt, wobei sich in einer Zone (B) oder an einer Grenzfläche (7) des porösen Materi¬ als (5) im Brennraum für die Porengröße eine kritische Peclet-Zahl für die Flamment¬ wicklung ergibt oberhalb der eine Flamme entstehen kann und unterhalb der die Flammentwicklung unterdrückt ist1. Burner with a housing (1) having a combustion chamber with an inlet (2) for a gas / air mixture as fuel and an outlet (3) for the exhaust gas, characterized in that the housing (1) is a porous Contains material (5) with connected cavities, the porosity of which changes along the combustion chamber in such a way that the pore size increases in the flow direction of the gas / air mixture from the inlet (2) to the outlet (3), with zone (B) or at an interface (7) of the porous material (5) in the combustion chamber for the pore size, a critical Peclet number for the flame development results above which a flame can arise and below which the flame development is suppressed

2. Brenner nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die kritische Peclet-Zahl 65 + 25 und insbesondere für Erdgas/Luftgemische 65 beträgt.2. Burner according to claim 1, characterized in that the critical Peclet number is 65 + 25 and in particular 65 for natural gas / air mixtures.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (1) zwei in Flußrichtung des Gas-/Luftgemisches hintereinander liegende Zonen (A, C) unter¬ schiedlicher Porengröße vorgesehen sind, wobei die dem Einlaß (2) nachgeordnete erste Zone (A) eine Pέclet-Zahl aufweist, die kleiner als die kritische Peclet-Zahl ist, und die vom Einlaß (2) weiter entfernte zweite Zone (C) eine Pέclet-Zahl aufweist die größer als die kritische Pέclet-Zahl ist.3. Burner according to claim 1 or 2, characterized in that in the housing (1) two zones lying one behind the other in the flow direction of the gas / air mixture (A, C) are provided with different pore sizes, the downstream of the inlet (2) being the first Zone (A) has a Pέclet number which is less than the critical Peclet number, and the second zone (C) further away from the inlet (2) has a Pέclet number which is greater than the critical Pέclet number.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die erste Zone (A) eine Po¬ rengröße aufweist, die eine Pέclet-Zahl < 40 ergibt und die zweite Zone (C) eine Poren¬ größe aufweist, die eine Pέclet-Zahl > 90 ergibt.4. Burner according to claim 3, characterized in that the first zone (A) has a pore size which gives a Pέclet number <40 and the second zone (C) has a pore size which has a Pέclet number> 90 results.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse5. Burner according to one of claims 1 to 4, characterized in that the porous

Material hitzebeständiger Schwamm kunststoff, Keramik oder Metall bzw. eine Metallle¬ gierung istMaterial is heat-resistant sponge plastic, ceramic or metal or a metal alloy

6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material bis zu ei- ner Temperatur von 1500°C hitzebeständig ist. 6. Burner according to claim 5, characterized in that the porous material is heat-resistant up to a temperature of 1500 ° C.

7. Brenner nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material Füllkörper sind, z.B. in Form von Schüttgut, welche gegebenenfalls, beispielsweise durch Sinterung, verfestigt sein kann.7. Burner according to claim 1 to 4, characterized in that the porous material are packing, e.g. in the form of bulk material, which can optionally be solidified, for example by sintering.

8. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schüttgut Metall oder Ke¬ ramik, insbesondere Steatit, Stemalox oder AI2O3 enthält.8. Burner according to claim 7, characterized in that the bulk material contains metal or ceramic, in particular steatite, Stemalox or AI2O3.

9. Brenner nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Schüttgut in der Nähe des Einlasses (2) aus Körnern kugelähnlicher Form mit mittleren Durchmessern von 5mm und im nachfolgenden Bereich mit mittleren Durchmessern > 11mm besteht, wenn bei atmosphärischem Druck der Durchmesser zur Erreichung der kritischen Peclet-Zahl zwischen 5 und 11mm liegt und insbesondere 9mm beträgt.9. Burner according to claim 7 or 8, characterized in that the bulk material in the vicinity of the inlet (2) consists of grains of spherical shape with average diameters of 5mm and in the subsequent area with average diameters> 11mm, if the diameter is at atmospheric pressure The critical Peclet number is between 5 and 11 mm and in particular 9 mm.

10. Brenner nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen der Hohlräume des porösen Materials bzw. die Oberflächen der Körner des Schüttguts mit ei¬ nem Katalysatormaterial beschichtet sind.10. Burner according to claim 1 to 9, characterized in that the inner surfaces of the cavities of the porous material or the surfaces of the grains of the bulk material are coated with egg nem catalyst material.

11. Brenner nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) zu¬ mindest teilweise eine Kühlvorrichtung (8) aufweist.11. Burner according to claim 1 to 10, characterized in that the housing (1) at least partially has a cooling device (8).

12. Brenner nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (8) als eine das Gehäuse (1) umgebende bzw. dieses bildende Kühlschlange ausgebildet ist, durch welche ein Kühlmittel, insbesondere Wasser, fließt-12. Burner according to claim 11, characterized in that the cooling device (8) is designed as a surrounding the housing (1) or forming this cooling coil through which a coolant, in particular water, flows.

13. Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überwachungsein¬ richtung vorgesehen ist, die bei Ausfall des Kühlmittels die Zufuhr von Brennstoff in den Brennraum blockiert.13. Burner according to claim 12, characterized in that a monitoring device is provided which blocks the supply of fuel into the combustion chamber in the event of a coolant failure.

14. Brenner nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Bereich grö- ßerer Porenöffnungen des Materials, eine Kühlvorrichtung (9) zum Wärmetauschen an¬ geordnet ist.14. Burner according to claim 1 to 13, characterized in that a cooling device (9) for heat exchange is arranged in an area of larger pore openings of the material.

15. Brenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (8) des Gehäuses (1) mit der Kühlvorrichtung (9) zum Wärmetauschen in Reihe geschaltet ist. 15. Burner according to claim 14, characterized in that the cooling device (8) of the housing (1) with the cooling device (9) for heat exchange is connected in series.

16. Brenner nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrich¬ tung (9) selbst so ausgebildet ist, daß diese zumindest teilweise als poröses Material wirkt und/oder poröses Material ersetzt.16. Burner according to claim 14 or 15, characterized in that the Kühlvorrich¬ device (9) itself is designed so that it acts at least partially as a porous material and / or replaces porous material.

17. Brenner nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Ab¬ stand der Kühlvorrichtung (9) von der Zone (B) oder der Grenzfläche (7) mit der kritischen Pέclet-Zahl mindestens so groß ist, daß die Kühlvorrichtung (9) mit der Flamme nicht in Berührung kommt.17. Burner according to one of claims 14 to 16, characterized in that the distance of the cooling device (9) from the zone (B) or the interface (7) with the critical Pέclet number is at least so large that the cooling device (9) does not come into contact with the flame.

18. Brenner nach Anspruch 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des18. Burner according to claim 14 to 16, characterized in that the inner wall of the

Gehäuses (1) mindestens im Flammbereich durch eine zusätzliche Vorrichtung (10), bei¬ spielsweise durch einen Einsatz aus geeignetem Material, gegen direkte Wärmebestrah¬ lung abgeschirmt ist.The housing (1) is shielded from direct heat radiation at least in the flame area by an additional device (10), for example by an insert made of a suitable material.

19. Brenner nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (10) in ei¬ nem einen Spalt (1 1) freilassenden Abstand von der Innenwand des Gehäuses (1) ange¬ ordnet ist, der frei von dem Gas-/Luftgemisch ist19. Burner according to claim 18, characterized in that the device (10) in a egg nem a gap (1 1) leaving spacing from the inner wall of the housing (1) is arranged which is free of the gas / air mixture

20. Brenner nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (9) von der Zone mit der für die kritische Pέclet-Zahl erforderli¬ chen Porosität soweit entfernt ist, daß sie nicht in den Flammbereich eintaucht.20. Burner according to at least one of claims 14 to 18, characterized in that the cooling device (9) is so far removed from the zone with the porosity required for the critical Pέclet number that it is not immersed in the flame area.

21. Brenner nach Anspruch 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zündvorrichtung (6) so angeordnet ist, daß die Entflammung des Gas-/Luftgemisches in einem Bereich mit einer Porosität erfolgt, die die kritische Pέclet-Zahl aufweist21. Burner according to claim 1 to 20, characterized in that an ignition device (6) is arranged so that the ignition of the gas / air mixture takes place in an area with a porosity which has the critical Pέclet number

22. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Einlaß (2) und porösem Material (5) eine Flammenfalle (4) angeordnet ist.22. Burner according to one of claims 1 to 21, characterized in that a flame trap (4) is arranged between the inlet (2) and porous material (5).

23. Brenner nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammenfalle (4) eine23. Burner according to claim 22, characterized in that the flame trap (4)

Platte ist, die eine Vielzahl von Löchern mit einem Durchmesser kleiner als der für die je¬ weiligen Brennstoffgemische kritischen "quenching" Durchmesser aufweistPlate which has a plurality of holes with a diameter smaller than the "quenching" diameter critical for the respective fuel mixtures

24. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß Einlaß (2), Auslaß (3) und poröses Material (5) so angeordnet sind, daß Kondensat durch den24. Burner according to one of claims 1 to 23, characterized in that the inlet (2), outlet (3) and porous material (5) are arranged so that condensate through the

Auslaß (3) abfließen kann. Outlet (3) can drain.