DE10121144A1 - Heizgerät mit einem Sekundärbrennbereich - Google Patents

Abstract

Das Heizgerät ist insbesondere für Fahrzeuge vorgesehen und weist einen Brenner (10) auf, bei dem in einem Primärbrennbereich (12) Brennstoff verbrennt, als heißes Abgas in einen Sekundärbrennbereich (14) und weiter zu einem Wärmeüberträger strömt. Um insbesondere den Wirkungsgrad des Heizgerätes zu steigern, ist eine Einrichtung (26c) zum Aufstauen des Stroms von Abgas im Sekundärbrennbereich (14) vorgesehen.

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Heizgerät, insbesondere ein Fahrzeugzusatzheizgerät, mit einem Brenner, mit einem Primärbrennbereich und einem stromab von diesen angeordneten Sekundärbrennbereich. Ferner betrifft die Erfindung ein Flammrohr zum Begrenzen eines Sekundärbrennbereiches bei einem Brenner eines derarti­ gen Heizgerätes.

Ein Heizgerät dieser Art wird bei Fahrzeugen verwendet, um einen Fahrgastraum und/oder einen Verbrennungsmotor zu erwärmen. Das Heizgerät weist einen Brenner auf, dem in der Regel flüssiger Brennstoff zugeführt wird.

Man unterscheidet verschiedene Arten von Brennern:

Aus DE 36 08 698 A1 ist eine Brenner-Heizkesseleinheit bekannt, bei der eine Dralldüse die Brennstoffzerstäubung bei der Gemischbildung unterstützt.

Aus DE 30 10 078 C2 ist ein Brenner für Fahrzeugheizvorrichtungen bekannt, welcher einen Niederdruckzerstäuber aufweist.

Aus US 4 590 888 A ist ein Verdampferbrenner bekannt, der einen mit flüssigem Brennstoff beaufschlagten saugfähigen Körper aufweist, welcher eine Brennstoff­ verdampfung bewirkt.

Aus DE 42 16 523 A1 ist ein brennstoffbetriebenes Heizgerät bekannt, bei dem der Brenner eine Art Kombination aus einem Brenner mit Dralldüse und einem Verdampfungsbrenner ist.

Aus DE 195 29 994 A1 ist ein Verdampferbrenner für ein Heizgerät bekannt, bei dem ein Flammrohr zusammen mit einer Umfangsbegrenzungswand eines Pri­ märbrennbereiches als einstückiges Blech(tiefzieh)teil ausgebildet ist. Restliche Teile des Primärbrennbereiches sind als Gusssteil gestaltet.

Obwohl die oben genannten Heizgeräte in vielerlei Hinsicht sehr verschieden ausgestaltet sind, weisen sie alle einen Brenner auf, bei dem die Verbrennung des Brennstoffs in zwei Bereichen, einem sogenannten Primärbrennbereich und einem sogenannten Sekundärbrennbereich stattfindet.

Der Primärbrennbereich des Brenners schließt unmittelbar an eine Dralldüse, ei­ nen Zerstäuber oder einen Verdampfer an. In diesem Bereich findet die eigentli­ che Verbrennung des Brennstoffs zusammen mit der zugeführten Primärbrennluft zu heißem Abgas statt. Das entstandene heiße Abgas strömt aus dem Primär­ brennbereich in den Sekundärbrennbereich, wo z. T. Sekundärbrennluft zugeführt und eine Nachverbrennung stattfindet. Ansonsten dient der Sekundärbrennbe­ reich im wesentlichen nur zur Abgasführung zu einem Wärmetauscher und zur Homogenisierung der Temperaturverteilung im Abgas.

Der Primärbrennbereich wird von einem Brennrohr begrenzt, das den hohen Temperaturen der Verbrennung standhalten muss und daher meist mit einer Aus­ kleidung versehen ist. Der Sekundärbrennbereich wird von einem Flammrohr be­ grenzt, das in der Regel auch das Brennrohr konzentrisch umgibt, so dass in einem Spalt zwischen dem Brennrohr und dem Flammrohr Sekundärbrennluft zu­ geführt werden kann.

Zugrundeliegende Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heizgerät der eingangs genannten Art zu verbessern und insbesondere dessen Wirkungsgrad zu erhöhen.

Erfindungsgemäße Lösung

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Heizgerät der eingangs genannten Art eine Einrichtung zum Aufstauen des Stroms von hei­ ßem Abgas im Sekundärbrennbereich vorgesehen ist. Die Aufgabe ist ferner mit einem eingangs genannten Flammrohr gelöst, das mit einer Einrichtung zum Auf­ stauen eines Stroms von Abgas im Flammrohr versehen ist.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Einrichtung, eine Art Strömungswider­ stand, wird im Betrieb des Heizgerätes der Strom des Abgases im Sekundär­ brennbereich, gebremst. Damit ergeben sich überraschenderweise zahlreiche Vorteile.

Zunächst wird erreicht, dass das Abgas langsamer aus dem Sekundärbrennbe­ reich austritt und daher in einem anschließenden Wärmetauscher länger verweilt. Im Wärmetauscher geht somit vermehrt Wärme aus dem Abgas in einen Wärme­ träger über. Dieser verbesserte Übergang ist insbesondere an einem dem Se­ kundärbrennbereich gegenüberliegenden Boden des Wärmetauschers festzu­ stellen. Der Boden kann zum besseren Wärmeübergang zusätzlich mit einer Ver­ rippung versehen sein.

Darüber hinaus werden durch die erfindungsgemäße Abbremsung des strömen­ den abgases im Sekundärbrennbereich auch die Druckverluste am Ausgang des Abgases aus dem Sekundärbrennbereich verringert. Diese Druckverluste sind besonders zu beachten, wenn die pro Zeiteinheit zuzuführende Brennluftmenge oder -masse betrachtet wird. Die Brennluftmenge oder -masse entsteht aus der Summe der zugeführten Primär- und der Sekundärbrennluft. Sie kann um so ge­ ringer sein, je kleiner die Druckverluste am Ausgang des Sekundärbrennberei­ ches sind. Durch das erfindungsgemäße Aufstauen des Abgases im Sekundär­ brennbereich, steht für das brennbare Gemisch mehr Zeit für die Verbrennung zur Verfügung. Die zugeführte Brennluft wird daher besser ausgenutzt, d. h. der in der Brennluft enthaltene Sauerstoff wird in vergrößertem Umfang oxidiert. Ferner fin­ det eine bessere Durchmischung von Brennluft und Brennstoff statt. Der Brenn­ stoff kann flüssig oder gasförmig sein.

Das Abbremsen des Abgases im Sekundärbrennbereich wirkt sich auch positiv auf die Verbrennung im Primärbrennbereich aus. Durch das gestaute Abgas wird der Austritt von Abgas aus dem Primärbrennbereich verlangsamt, was zu Wirbel­ bildung und zu einer besseren Durchmischung von Brennstoff und Primärbrenn­ luft führt.

Das erfindungsgemäße Heizgerät weist aus den oben genannten Gründen einen verbesserten Wirkungsgrad auf. Ferner erfordert der erfindungsgemäße Brenner pro Zeiteinheit geringere Mengen bzw. Massen Primär- und Sekundärbrennluft. Schließlich stößt das erfindungsgemäße Heizgerät aufgrund der verbesserten Verbrennung und Nachverbrennung weniger Schadstoffe aus.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Sekundärbrennbereich von einem Flammrohr begrenzt und als Einrichtung bzw. Strömungswiderstand ist eine Verengung an einem Abschnitt dieses Flammrohres ausgebildet, der vom Primärbrennbereich entfernt ist. Eine derartige Verengung kann kostengünstig hergestellt werden. Sie lässt eine Vielzahl Varianten für unterschiedliche Typen von Heizgeräten zu, indem sie in ihrer geometrischen Ausgestaltung und Anord­ nung verändert wird.

Besonders vorteilhaft ist die Verengung mit einer Querwand ausgebildet, die eine Öffnung, insbesondere im Zentrum des Brennrohres, aufweist. Die Querwand kann als zusätzliches Bauteil in das Flammrohr eingesetzt und an diesem gehal­ tert sein. Alternativ kann die Querwand aus Material des Flammrohres selbst in Gestalt einer Einschnürung ausgebildet sein. Ferner kann die Querwand mit meh­ reren Öffnungen versehen sein.

In der Regel sind Flammrohre im wesentlichen zylindrisch ausgebildet. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Öffnung kreisförmig im Zentrum der Querwand ausgebildet ist. Eine solche Querwand staut den Strom des Abgases gleichmäßig auf und führt zu einer symmetrischen Wirbelbildung und Durchmischung.

Es ist ferner besonders vorteilhaft, wenn die Verengung an dem vom Primär­ brennbereich abgewandten Ende des Flammrohres angeordnet ist. Das Abgas staut sich dann im gesamten Sekundärbrennbereich auf, so dass ein großräumi­ ges Durchmischen und Ausgleichen von Temperaturunterschieden stattfindet. Das erfindungsgemäße Heizgerät kann besonders kostengünstig hergestellt wer­ den, indem das Flammrohr mittels Tiefziehen und insbesondere die Öffnung mit­ tels Stanzen in einem einzelnen Arbeitsgang hergestellt ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Flammroh­ res anhand der beigefügten schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt eines Brenners mit einem erfindungsgemä­ ßen Flammrohr für ein Heizgerät.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der in Fig. 1 dargestellte Brenner 10 weist längs einer Achse A einen Primär­ brennbereich 12 in Form einer zylindrischen Brennkammer und einen Sekundär­ brennbereich 14 in Gestalt einer ebenfalls zylindrischen Nachbrennkammer auf.

Der Primärbrennbereich 12 ist von einem ringscheibenförmigen, hier nur skizzen­ haft dargestellten Bauteil 16 und einem kreiszylindrischen Brennrohr 18 begrenzt, das konzentrisch an das Bauteil 16 angeflanscht ist. Das Bauteil 16 umfasst ein zum Primärbrennbereich 12 gewandtes Hitzeschild 16a und einen an der entge­ gengesetzten Seite ausgebildeten Haltering 16b, mittels dem das Bauteil 16 und die daran befestigten Bauteile im weiter nicht dargestellten Heizgerät befestigt sind. Im Zentrum des ringscheibenförmigen Bauteils 16 mündet eine nicht darge­ stellte Brennstoffzuführeinrichtung, beispielsweise eine Dralldüse oder ein Ver­ dampfer.

In den Primärbrennbereich bzw. die Brennkammer 12 ragt eine Prallscheibe 20 vom Brennrohr 18 radial nach innen, in deren Zentrum eine Startkammer 22 aus­ gespart ist. Die Prallscheibe 20 dient zur zusätzlichen Flamm-Stabilisierung. Die Startkammer 22, in die vorzugsweise eine Glüheinrichtung (nicht dargestellt) hineinragt, dient der Verbesserung der Starteigenschaften des Brenners.

Am Brennrohr 18 ist an dessen dem Bauteil 16 entgegengesetzten Ende eine Ringscheibe 24 ausgebildet, die den Primärbrennbereich 12 in Axialrichtung be­ grenzt.

Auf die Ringscheibe 24 ist konzentrisch ein Flammrohr 26 aufgesetzt und bei­ spielsweise mittels Punktschweißen befestigt. Das Flammrohr 26 weist eine kreiszylindrische Wandung 26a auf, an deren dem Brennrohr 18 zugewandten Ende ein nach außen abstehender Flansch 26b ausgebildet ist. Am entgegengesetzten Ende des Flammrohres 26 ist eine nach innen ragende kreisringförmige Verengung 26c ausgebildet, deren Funktion unten erläutert wird. Die Verengung 26c bildet eine Querwand im Flammrohr 26, in der zentral eine kreisförmige Öff­ nung 28 ausgebildet ist. Der Innendurchmesser des Flammrohres 26 ist geringfü­ gig kleiner als der Innendurchmesser des Brennrohres 18; das Verhältnis der Durchmesser beträgt vorzugsweise etwa 0,7 bis 0,9, besonders bevorzugt etwa 0,8.

Das Flammrohr 26 ist vorzugsweise zusammen mit dem Flansch 26b und der Verengung 26c als Tiefziehteil hergestellt. Die Übergänge zwischen der Wandung 26a und dem Flansch 26b sowie der Verengung 26c sind abgerundet, wobei die Radien derart angepasst sind, dass sie sowohl fertigungs- als auch strömungs­ technisch besonders vorteilhaft sind. Im dargestellten, Beispiel betragen die Ra­ dien der jeweils nach innen gerichteten Übergänge 2,0 mm. Vorteilhaft sind inne­ re Radien zwischen 0,5 mm und 3,5 mm, besonders vorteilhaft zwischen 1,5 mm und 2,5 mm. Die Dicke der Wandung 26a, des Flansches 26b und der Verengung 26c beträgt im dargestellten Beispiel 1 mm. Vorteilhaft sind Dicken zwischen 0,5 und 1,5 mm.

Das Flammrohr 26 ist radial und gegenüber von der Verengung 26c von einem nicht dargestellten Wärmeübertrager umgeben, in dem eine Flüssigkeit als Wär­ meträger strömt, an die das Brenngas Wärme abgibt.

Die Verengung 26c am Flammrohr 26 führt dazu, dass im Betrieb des Brenners 10, bei dem Brennstoff im Primärbrennbereich 12 verbrennt und nachfolgend als heißes Abgas in den Sekundärbrennbereich 14 strömt, das Abgas in diesem Se­ kundärbrennbereich 14 aufgestaut wird. Dort vermischt sich das heiße Abgas vermehrt mit evtl. zugeführter Sekundärbrennluft zu einer Nachverbrennung und räumliche Temperaturunterschiede im Abgas gleichen sich besser aus. Ferner wird ein Druckabfall im Sekundärbrennbereich 14 und damit zugleich im Primär­ brennbereich 12 vermieden. Unter Umständen kann daher auf die Ringscheibe 24 am Brennrohr 18 verzichtet oder anstelle der Ringscheibe eine Einrichtung vorgesehen werden, die speziell auf die Durchmischung von Brennstoff und Pri­ märbrennluft im Primärbrennbereich bzw. der Brennkammer 12 abgestimmt ist.

Bezugszeichenliste

10

Brenner

12

Primärbrennbereich, insbesondere Brennkammer

14

Sekundärbrennbereich, insbesondere Nachbrennkammer

16

scheibenförmiges Bauteil

16

a Hitzeschild

16

b Haltering

18

Brennrohr

20

Prallscheibe

22

Startkammer

24

Ringscheibe

26

Flammrohr

26

a Zylindrische Wandung

26

b Flansch

26

c Verengung, insbesondere Querwand

28

Öffnung
A Achse

Claims (12)

1. Heizgerät, insbesondere Fahrzeugzusatzheizgerät, mit einem Brenner (10), bei dem in einem Primärbrennbereich (12) Brennstoff verbrennt, als heißes Abgas in einen Sekundärbrennbereich (14) und weiter zu einem Wärmeübertrager strömt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (26c) zum Aufstauen des Stroms von Abgas im Sekundärbrennbereich (14) vorgesehen ist.

2. Heizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundär­ brennbereich (14) von einem Flammrohr (26) begrenzt ist, und als Ein­ richtung eine Verengung (26c) an einem Abschnitt des Flammrohres (26) ausgebildet ist, der vom Primärbrennbereich (12) entfernt ist.

3. Heizgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verengung (26c) mit einer Querwand ausgebildet ist, die eine Öffnung (28), insbeson­ dere im Zentrum des Flammrohres (26), aufweist.

4. Heizgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Flammrohr (26) im wesentlichen zylindrisch und die Öffnung (28) kreisförmig ausgebil­ det ist.

5. Heizgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verengung (26c) an dem vom Primärbrennbereich (12) abge­ wandten Ende des Flammrohres (26) angeordnet ist.

6. Heizgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Flammrohr (26) mittels Tiefziehen und insbesondere die Öffnung (28) mittels Stanzen hergestellt ist.

7. Flammrohr zum Begrenzen eines Sekundärbrennbereiches bei einem Brenner (10) eines Heizgerätes, insbesondere eines Fahrzeugzusatzheiz­ gerätes, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (26c) zum Aufstauen eines Stroms von Abgas im Flammrohr (26).

8. Flammrohr nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrich­ tung als Verengung (26c) des Flammrohres (26) in einem Abschnitt aus­ gebildet ist, der im eingebauten Zustand des Flammrohres (26) von einem Primärbrennbereich (12) des Brenners (10) entfernt angeordnet ist.

9. Flammrohr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Veren­ gung (26c) mit einer Querwand ausgebildet ist, die eine Öffnung (28), ins­ besondere im Zentrum des Flammrohres (26), aufweist.

10. Flammrohr nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Flamm­ rohr (26) im wesentlichen zylindrisch und die Öffnung (28) kreisförmig ist.

11. Flammrohr nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verengung (26c) an dem vom Primärbrennbereich (12) abge­ wandten Ende des Flammrohres (26) angeordnet ist.

12. Flammrohr nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Flammrohr (26) mittels Tiefziehen und insbesondere die Öffnung (28) mittels Stanzen hergestellt ist.