DE102004006824B4

DE102004006824B4 - Porenbrenner mit Siliziumkarbid-Porenkörper

Info

Publication number: DE102004006824B4
Application number: DE102004006824A
Authority: DE
Inventors: Michael Hoetger; Walter Dr. Thiele
Original assignee: SGL Carbon SE; Enginion AG
Current assignee: SGL Carbon SE; Enginion AG
Priority date: 2003-04-18
Filing date: 2004-02-11
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2024-02-12
Also published as: DE102004006824A1; ATE514902T1

Abstract

Brenner mit einem Porenkörper aus einem offenporigen Keramiknetzwerk, das aus Kohlenstoffasern gebildet ist, welche unter Zuführung eines mit den Kohlenstoffasern reagierenden chemischen Elements in ein keramisches Material überführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Porenkörpers eine Mehrzahl von Gewebestücken (28,30) aus siliziertem Kohlenstoffgewebe (16) aufweist, die jedes eine geordnete, regelmäßige Struktur und eine von einer Planfläche abweichende Form besitzen und die in einem Gehäuse (12) eines Porenbrenners (10) zum Verbrennen eines Brennstoff-Luft-Gemisches zur Erzeugung eines heißen Rauchgases (22) aufeinandergeschichtet sind

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Brenner mit einem Porenkörper aus einem offenporigen Keramiknetzwerk, das aus Kohlenstoffasern gebildet ist, welche unter Zuführung eines mit den Kohlenstoffasern reagierenden chemischen Elements in ein keramisches Material überführt sind.

Ein solcher Brenner ist in der DE 197 53 249 A1 erwähnt.

Insbesondere betrifft die Erfindung einen Porenbrenner zum Verbrennen eines Brennstoff-Luft-Gemisches zur Erzeugung eines heißen Rauchgases, enthaltend ein Gehäuse, in welchem ein Porenmaterial aus porösem, hochtemperaturfestem Siliziumkarbid (SiC) für eine Verbrennung vorgesehen ist.

Ein solcher Porenbrenner wird zum Beispiel eingesetzt, um einen Dampfüberhitzer mit einem heißen Rauchgasstrom zu beaufschlagen. Der in dem Dampfüberhitzer entstehende Dampf hat hohe Temperaturen und steht unter starkem Druck. Die in dem Dampf gespeicherte Energie kann dann in Form von mechanischer bzw. elektrischer Energie nutzbar gemacht werden, z. B. durch Entspannung in einer Expansionsmaschine zum Antrieb eines Generators. Je heißer der Dampf und je höher der Druck, um so besser ist der Wirkungsgrad solcher Maschinen. Entsprechend ist es erforderlich, dass der Rauchgasstrom möglichst hohe Temperaturen aufweist. Typische Temperaturen liegen im Bereich zwischen 850°C und 1400°C.

Die Porenbrenner zur Erzeugung eines heißen Rauchgasstroms unterscheiden sich insbesondere von einem reinen Strahlungsbrenner, bei dem nur die Strahlungswärme des Brenners genutzt wird und das entstehende Rauchgas als Nebenprodukt über einen Kamin oder ein Abluftrohr abgezogen wird. Solche Strahlungsbrenner sind zum Beispiel künstliche Kaminfeuer oder Strahlungsbrenner zum Trocknen von Lackierungen. Zwar kann auch die Strahlungswärme eines Porenbrenner genutzt werden, der wesentliche Anteil der auf den Dampferzeuger übertragenen Energie kommt jedoch aus dem Rauchgas.

Stand der Technik

Aus der DE 199 39 951 C2 ist ein Porenbrenner zur Verbrennung eines Brennstoff/Oxidationsmittelgemisches bekannt. Der Porenbrenner ist mit kugelförmigen Füllkörpern gefüllt. Die Größe der entstehenden Poren ist durch die Größe der Füllkörper bestimmt. Der bekannte Porenbrenner ist so ausgelegt, dass durch ein zusätzliches Kühlgas eine zu hohe Temperatur im Reaktionsraum vermieden wird.

Aus der DE 195 27 583 C2 ist ein Porenbrenner bekannt, der poröses Material enthält, welches räumlich zusammenhängende Hohlräume aufweist, die von einer Packung aus hitzebeständigem Draht- Folien- oder Blechmaterial gebildet sind. In diesen Hohlräumen bildet sich eine definierte Flammenzone. Das Material ist für hohe Temperaturen nicht geeignet.

Es sind weiterhin Porenbrenner bekannt, die mit einer Keramik gefüllt sind, die eine Vielzahl von Hohlräumen aufweisen, z. B. aus der US 5,890,886 . Es sind z. B. aus der DE 196 21 638 A1 auch andere Schaumkeramiken, Metallschäume oder -schwämme bekannt, Diese Schäume oder Schwämme weisen den Nachteil auf, dass sie teuer in der Herstellung sind. Außerdem sind sie sehr empfindlich gegenüber mechanischen und thermischen Belastungen. Sie reißen oder platzen bei übermäßiger Belastung, was zu verminderter Leistungsfähigkeit und vermehrtem Schadstoffausstoß führt.

Aus der DE 198 47 042 A1 ist eine hochporöse Brennermatte bekannt, die aus metallischen oder keramischen Fasern besteht, welche in unregelmäßigen Strukturen miteinander verschweißt sind. Die Matte ist mit Löchern versehen, durch welche das Gas strömt. Es entstehen Bereiche unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten, durch welche ein unregelmäßiger Flammenteppich entsteht, der von der Oberfläche der Matte abhebt.

Die US 3,895,513 zeigt einen Porenbrenner mit einem Porenmaterial aus porösem, hochtemperaturfesten Siliziumkarbid. Zur Herstellung dieses Porenmaterials wird ein Körper aus verfilzten Kohlenstoffasern in inerter Atmosphäre auf hohe Temperatur aufgeheizt. Dann wird dieser Körper mit einer Atmosphäre einer zersetzbaren, gasförmigen Siliziumverbindung in Kontakt gebracht. Dadurch werden die Kohlenstoffasern in Silizium- oder Siliziumkarbidfasern umgesetzt.

Die DE 199 44 345 beschreibt einen Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix, der siliziertes Kohlenstoffgewebe umfaßt. Dabei wird jedoch die regelmäßige Struktur des Gewebes während des Herstellungsprozesses zerstört.

Die EP 0 598 631 B1 beschreibt ein Verbundmaterial vom Kohlenstoff-Kohlenstoff-Typ, mit einer faserigen Vorform, die allein aus Kohlenstoffasern besteht und in eine Kohlenstoffmatrix eingebettet ist. Dieses Teil wird durch die Anwesenheit eines hochfeinen Pulvers von kristallinem SiC. in den Poren der Kohlenstoffmatrix vor Oxidation in Gegenwart eines oxidierenden Materiestroms bei hohen Temperaturen geschützt. Das Pulver wird bei hohen Temperaturen in SiO₂ umgesetzt.

Die EP 0 954 720 B1 zeigt einen Strahlungsbrenner mit einem gewellten Schirm aus Siliziumkarbidgewebe. Dieser Schirm schließt die Brennerkammer an der Vorderseite ab und dient als Reflexionsgitter.

Die DE 197 53 249 betrifft ein Keramiknetzwerk aus dreidimensional miteinander verbundenen Keramikstegen, bei welchem Hohlräume in den Stegen einen runden Querschnitt haben. Dieses Material dient u.a. als Brennelement für Flächen- oder Volumenbrenner. Zur Herstellung dieses Keramiknetzwerkes wird ein Fasernetzwerk aus Polymer- Natur- oder sonstigen Fasern hergestellt. Diese Fasern werden mit einer keramischen Suspension von SiC-Pulver auf Wasserbasis getränkt. Die beschichtete Masse wird getrocknet, und die Fasern werden ausgebrannt.

Zum Stand der Technik erwähnt die DE 197 53 249 die Herstellung von offenporigen Material aus Kohlenstoffasern, die durch Zuführung anderer chemischer Elemente über die flüssige oder Gasphase und Reaktion der Fasern mit diesen Elementen direkt in ein keramisches Material überführt werden. Dieses Verfahren wird in der DE 197 53 249 als nachteilig hingestellt.

Von diesem in der DE 197 53 249 erwähnten Stand der Technik geht die vorliegende Erfindung aus.

Offenbarung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Porenbrenner zu schaffen, der eine gleichmäßige Verbrennung aufweist und dessen Porenstruktur direkt im Herstellungsprozess beeinflussbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe ausgehend von einem Brenner der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass zur Bildung des Porenkörpers eine Mehrzahl von Gewebestücken aus siliziertem Kohlenstoffgewebe aufweist, die jedes eine geordnete, regelmäßige Struktur und eine von einer Planfläche abweichende Form besitzen und die in einem Gehäuse eines Porenbrenners zum Verbrennen eines Brennstoff-Luft-Gemisches zur Erzeugung eines heißen Rauchgases aufeinandergeschichtet sind.

Ein Verweben des harten und spröden Materials Siliziumkarbid ist nicht möglich. Durch Silizieren eines geeignet geformten Kohlenstoffgewebes ist es jedoch möglich, eine entsprechend gestaltete Gewebestruktur aus SiC zu schaffen. Das silizierte Gewebe ist kostengünstig herstellbar. Es hält mechanischen und thermischen Belastungen sehr gut stand. Die Maschenweite und flächige Form des Gewebes ist ebenso individuell anpassbar wie dessen Größe und Umrisse, so dass bei Verwendung derartiger Materialien als Porenkörper für Porenbrenner eine Optimierung der Brennereigenschaften möglich ist. Das Gewebe aus Siliziumkarbid weist eine von einer Planfläche abweichende Form auf. Dann kann eine Mehrzahl von Gewebestücken aufeinander geschichtet werden. Auf diese Weise wird ohne zusätzliche Abstandshalter oder dergleichen eine dreidimensionale Anordnung geschaffen, mit welcher der Porenbrenner füllbar ist.

Das Gewebe kann wellenförmig geformt sein. Es sind aber auch andere Formen möglich, wie ein im Querschnitt sägezahnförmiges oder kastenförmiges Profil. Um eine kleine Porengröße zu erhalten, können dann zum einen die Gewebeparameter klein gehalten werden und zum anderen die Wellenform aus einer Vielzahl von kleinen Wellen zusammengesetzt werden.

Das Gewebe kann aus vollständig silizierten Fasern bestehen. Für einige Anwendungen kann es aber auch sinnvoll sein, dass das Gewebe teilsiliziert ist, und einen Kern aus reinem Kohlenstoff enthält.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die geordneten Strukturen so ausgelegt sind, dass sich Zonen unterschiedlicher Porösität ausbilden. Dabei kann der poröse Körper des Brenners in zwei oder mehr Zonen unterschiedlicher Porengröße ausgebildet sein. Der einlassseitige Teil des porösen Körpers weist dann eine kleinere Porengröße als der auslassseitige Porenkörper auf. Bei dieser Ausgestaltung bildet sich die Flamme in der grobporigen Zone, während in der feinporigen Zone eine Mischung und Vorheizung des Brennstoff-Luft-gemischs stattfinden. Dies führt zu besonders niedrigem Schadstoffgehalt des Rauchgases bei Verbrennung der üblichen Brennstoffe, wie Erdgas, Benzin oder dergleichen. Die Porengröße kann durch die ausgewählten Gewebe und deren Anordnung, wie z. B. Stapelung, besonders gut gestaltet werden.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der feinporige Teil aus herkömmlichen Poren bildenden Werkstoffen hergestellt, während der grobporige Teil aus siliziertem Kohlenstoffgewebe besteht. Der Werkstoff des feinporigen Teils ist vorzugsweise schlecht leitend, so dass ein Wärmeübergang aus der Verbrennungszone in die Vormischzone vermieden wird. Auf diese Weise wird einem Rückschlagen der Flammen vorgebeugt.

Die Krümmungsachsen der Wellen eines Gewebestücks können in einer Ebene liegen und die Gewebestücke derart übereinander angeordnet sein, daß die Projektionen der Wellennormalen auf eine solche durch die Krümmungsachsen definierte Ebene senkrecht zueinander verlaufen. Vorzugsweise bilden die Wellennormalen dann jeweils einen Winkel von etwa 45° zur Strömungsrichtung des Rauchgases. Eine Wellennormale ist hier die Senkrechte auf einer Wellenfront. Sie liegt in der durch die Krümmungsachsen definierten Ebene. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird die Porenstruktur aus gestapelten wellenförmigen SiC-Matten gebildet. Dabei sind die einzelnen Ebenen mit einem Winkel von etwa 90° gegeneinander verdreht angeordnet. Diese Anordnung ist für das Verbrennungsverhalten des Brenners besonders günstig. Die so durchströmte Struktur wird als statischer Mischer bezeichnet. Der Brennstoff und die Verbrennungsluft werden dabei so miteinander vermengt, dass der Kraftstoff besonders schadstoffarm und vollständig verbrannt wird.

Vorzugsweise ist das Gehäuse des Brenners mit einer isolierenden Schicht versehen. So wird ein ungewünschter konvektiver Wärmeübergang durch das Gehäuse in die Peripherie des Brenners vermieden.

Alternativ kann die Gehäusewandung von einem Kühlmedium durchströmt sein, das entweder getrennt in die Umwelt abgeführt oder mit dem heißen Rauchgas im Auslassbereich des Brenners vermischt wird.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines Porenbrenners
2 zeigt einen Ausschnitt aus einem wellenförmig geformten Gewebestück aus Siliziumkarbid
3 ist Schnitt durch einen schematisch dargestellten Porenbrenner
4 ist eine Schnitt entlang der Linie A-A in 3 und zeigt den Auslass eines Porenbrenners
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist schematisch ein Porenbrenner 10 dargestellt. Der Porenbrenner besteht aus einem Gehäuse 12, in welches ein Brenngas-Luftgemisch eingeleitet wird. Die Strömungsrichtung des einströmenden Gases ist durch die Pfeile 14 dargestellt. In dem Gehäuse 12 sind eine Vielzahl von Gewebestücken 16 aufeinander geschichtet. In einer ersten Zone 18 sind die Poren kleiner und in einer zweiten Zone 20 sind die Poren größer. Das poröse Material der ersten Zone 18 ist nicht dargestellt. In der zweiten Zone erfolgt eine Oxidation in den Poren ohne echte Flammenausbildung. Dabei entsteht heißes Rauchgas, welches in 1 durch Pfeile 22 repräsentiert wird. Das Rauchgas wird genutzt, um einen Dampferzeuger zu heizen. Dabei besteht die Möglichkeit, den Dampferzeuger innerhalb des Strahlungsfeldes des Porenbrenners 10 anzuordnen, so dass nicht nur die durch das Rauchgas übertragene Wärme, sondern zusätzlich auch die Strahlungswärme genutzt wird.
Die Gewebestücke 16 sind in 2 nochmals im Detail dargestellt. Sie bestehen aus einem im wesentlichen rechteckigen, netzartigen Gewebe. Eine Vielzahl dieser Gewebestücke 16 ist übereinander geschichtet. Jedes Gewebestück 16 ist wellenförmig um eine Krümmungsachse 37 gebogen. Die Gewebestücke werden so aufeinander geschichtet, dass die Berge 24 und Täler 26 der Krümmungen immer abwechselnd um 90 Grad versetzt aufeinander liegen. Dies ist in 3 ersichtlich. So liegt zum Beispiel das Gewebestück 30 um 90 Grad versetzt auf dem Gewebestück 28 auf. Der Porenbrenner wird vollständig mit den Gewebestücken 16 aufgefüllt. Dadurch bildet sich ein Porenstruktur, die eine besonders gute, gleichmäßige Flammenentwicklung erlaubt. Der Porenkörper wird vom Brennstoff/Luftgemisch parallel zu den Ebenen der einzelnen Gewebe-Schichten und in Richtung der Winkelhalbierenden 34 des Verdrehwinkels zwischen den Wellennormalen 35 und der Wellennormalen 39 der Schichten durchströmt.
Im vorliegenden Fall hat der Porenbrenner 10 einen rechteckigen Querschnitt und ist daher auch mit rechteckigen Gewebestücken 16 gefüllt. Hat der Porenbrenner 10 einen anders geformten Querschnitt, wird selbstverständlich auch die Form der Gewebestücke entsprechend angepasst.
Weiterhin wird das Gehäuse 12 des Porenbrenners von einem Kühlmittel durchströmt. Die Kühlluft wird in diesem Fall gesondert in einen Kühlkanal 38 (4) des Gehäuses 12 eingespeist und wird am Auslass 40 mit dem Rauchgas vermischt.
Durch die Größe der Gewebemaschen 32, die Krümmungsradien der Wellentäler und – Berge und die Anzahl der Krümmungen pro Gewebestück kann die Porengröße beeinflusst werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Porengröße in der Zone 18 (1) kleiner und in Zone 20 größer.
Die Gewebestücke bestehen aus Siliziumkarbid. Siliziumkarbid ist ein carbidischer Keramik-Werkstoff und als solcher nicht verwebbar. Zur Herstellung derartiger Gewebe wird daher ein Kohlenstoffgewebe verwendet, welches in die geeignete Form gebracht und dann siliziert wird. Zum Silizieren eignen sich verschiedene Prozesse. Beim Flüssigsilizierverfahren wird schmelzflüssiges Silizium ein poröses Substrat aus Kohlenstofffaser verstärktem Kohlenstoff (C/C) infiltriert und mit dem Kohlenstoff der Matrix direkt zu SiC reagiert. Das Verfahren ist bekannt und zum Beispiel im Internet unter http://www.fz-juelich.de/iwv/iwv1/index.php?index=8 beschrieben und braucht daher nicht näher erläutert werden.
Die silizierten Gewebestücke 16 sind nach diesem Vorgang steif und können in den Brenner ohne weitere Formveränderung eingesetzt werden. Das Material ist hochtemperaturfest. Das Herstellungsverfahren für flächige SiC-Strukturen ist verglichen mit schwammartigen Keramikkörpern kostengünstig und die mechanische und thermische Belastbarkeit ist gegenüber Keramikschwämmen wesentlich höher.

Claims

Brenner mit einem Porenkörper aus einem offenporigen Keramiknetzwerk, das aus Kohlenstoffasern gebildet ist, welche unter Zuführung eines mit den Kohlenstoffasern reagierenden chemischen Elements in ein keramisches Material überführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Porenkörpers eine Mehrzahl von Gewebestücken (28,30) aus siliziertem Kohlenstoffgewebe (16) aufweist, die jedes eine geordnete, regelmäßige Struktur und eine von einer Planfläche abweichende Form besitzen und die in einem Gehäuse (12) eines Porenbrenners (10) zum Verbrennen eines Brennstoff-Luft-Gemisches zur Erzeugung eines heißen Rauchgases (22) aufeinandergeschichtet sind
Porenbrenner (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe (16) wellenförmig geformt ist.
Porenbrenner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe (16) aus vollständig silizierten Fasern besteht.
Porenbrenner (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe teilsiliziert ist, und einen Kern aus reinem Kohlenstoff enthält.
Porenbrenner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geordneten Strukturen so ausgelegt sind, dass sich Zonen unterschiedlicher Porösität ausbilden.
Porenbrenner (10) nach einem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungsachsen der Wellen eines Gewebestücks in einer Ebene liegen und die Gewebestücke derart übereinander angeordnet sind, daß die Projektionen der Wellennormalen auf eine solche durch die Krümmungsachsen definierte Ebene senkrecht zueinander verlaufen.
Porenbrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellennormalen jeweils einen Winkel von etwa 45° zur Strömungsrichtung des Rauchgases bilden.