DE202022103597U1 - Hydrogen heating unit - Google Patents
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Abstract
Heizaggregat zum Erzeugen von Wärme aus einem brennbaren Gas, das Heizaggregat umfassend einen Brenner (1) zur Erzeugung der Wärme und mindestens einen Wärmetauscher (15, 18) zum Übertragen der erzeugten Wärme an ein flüssiges Transportmedium, wobei der Brenner (1) mit Wasserstoffgas betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (1) folgende Komponenten aufweist:
- eine Brennkammer (2) zur Aufnahme einer wässrigen Lösung (W), über welcher ein flüssigkeitsfreier Brennraum (4) verbleibt, in welchem eine von einem Brennstoff speisbare Pilotflamme entzündbar ist;
- eine Sauerstoff-Zufuhr (5) in den Brennraum (4);
- einen Elektrolyseur (6) für Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus der wässrigen Lösung (W), dessen Spaltprodukte in die wässrige Lösung (W) der Brennkammer (2) einleitbar sind; so dass das mittels der Elektrolyse erzeugte Gas durch die wässrige Lösung (W) aufsteigen und zusammen mit zugeführtem Sauerstoff und der Pilotflamme im Brennraum (4) unter Erzeugung von Wärme verbrennen kann, die anschließend an den Wärmetauscher (15, 18) abgebbar ist.
Heating unit for generating heat from a combustible gas, the heating unit comprising a burner (1) for generating the heat and at least one heat exchanger (15, 18) for transferring the heat generated to a liquid transport medium, the burner (1) being operable with hydrogen gas is, characterized in that the burner (1) has the following components:
- a combustion chamber (2) for receiving an aqueous solution (W), above which a liquid-free combustion chamber (4) remains, in which a pilot flame that can be fed by a fuel can be ignited;
- an oxygen supply (5) into the combustion chamber (4);
- an electrolyzer (6) for water for producing hydrogen and oxygen from the aqueous solution (W), the fission products of which can be introduced into the aqueous solution (W) of the combustion chamber (2); so that the gas generated by electrolysis can rise through the aqueous solution (W) and burn together with supplied oxygen and the pilot flame in the combustion chamber (4) to generate heat, which can then be given off to the heat exchanger (15, 18).
Description
EinleitungIntroduction
Die Erfindung betrifft das Gebiet der gasbetriebenen Heizaggregate. Insbesondere betrifft die Erfindung ein mit Wasserstoff betriebenes Heizaggregat zur Erzeugung von Wärme für Heizungen und Brauchwasser.The invention relates to the field of gas-operated heating units. In particular, the invention relates to a hydrogen-operated heating unit for generating heat for heating and domestic hot water.
Stand der Technik und NachteileState of the art and disadvantages
Heizaggregate zum Erzeugen von Wärme aus einem brennbaren Stoff wie Öl oder Gas sind hinlänglich bekannt. Bei derartigen Aggregaten wird ein brennbarer Stoff durch thermische Reaktion oxidiert, und die dabei freiwerdende Prozesswärme wird mittels Wärmetauscher einem meist flüssigen Medium zugeführt, welches dann mittels Rohrleitungen an den Ort gefördert wird, wo die Wärme benötigt und dem Medium wieder entzogen wird.Heating units for generating heat from a combustible substance such as oil or gas are well known. In such units, a combustible substance is oxidized through a thermal reaction, and the process heat released is fed to a mostly liquid medium using a heat exchanger, which is then conveyed via pipes to the location where the heat is needed and is removed from the medium again.
Die bekannten Lösungen basieren zumeist auf fossilen Brennstoffen, oder zumindest auf Brennstoffen, welche beim Oxidieren gesundheitsschädliche Abgase erzeugen. Bekannt sind daher auch Aggregate, welche Brennstoffe verwenden, die weitestgehend rückstandsfrei bzw. ohne die Erzeugung gesundheitsschädlicher Gase oder Dämpfe verwendet werden können. Ein Beispiel hierfür ist die Verwendung von Wasserstoff, der bei der exothermen Reaktion mit Sauerstoff zu Wasserdampf wird, wobei eine erhebliche Menge an Wärme freigesetzt wird.The known solutions are mostly based on fossil fuels, or at least on fuels that produce harmful exhaust gases when oxidized. Aggregates are therefore also known which use fuels that can be used largely without residue or without producing harmful gases or vapors. An example of this is the use of hydrogen, which becomes water vapor in the exothermic reaction with oxygen, releasing a significant amount of heat.
Bekanntermaßen kann molekularer Wasserstoff (H2) mittels Elektrolyse aus Wasser gewonnen werden, wofür elektrische Energie benötigt wird. Bekannt sind Lösungen, bei welchem Solarstrom, der tagsüber mittels entsprechender Anlagen erzeugt wird, zur Elektrolyse verwendet wird; der so erzeugte Wasserstoff wird dann unter hohem Druck zwischengespeichert und bei Bedarf verbrannt. Problematisch an dieser Lösung sind die hohen Sicherheitsanforderungen an eine solche Anlage, sowie der Platzbedarf für die Speicher, und die damit einhergehenden hohen Kosten.As is known, molecular hydrogen (H 2 ) can be obtained from water using electrolysis, which requires electrical energy. Solutions are known in which solar power, which is generated during the day using appropriate systems, is used for electrolysis; The hydrogen produced in this way is then temporarily stored under high pressure and burned if necessary. The problem with this solution is the high safety requirements for such a system, as well as the space required for the storage and the associated high costs.
Aufgabe der Erfindung und LösungTask of the invention and solution
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Heizaggregat bereitzustellen, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.The invention is therefore based on the object of providing a heating unit which avoids the disadvantages of the prior art.
Demnach soll der Betrieb des erfindungsgemäßen Heizaggregats rückstandsfrei erfolgen und sicher sein.Accordingly, the operation of the heating unit according to the invention should be residue-free and safe.
Die Aufgabe wird durch ein Heizaggregat nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den abhängigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Figuren zu entnehmen.The task is solved by a heating unit according to
BeschreibungDescription
Zunächst erfolgt die Beschreibung eines erfindungsgemäßen Heizaggregats; daran anschließend erfolgt eine Beschreibung der Verwendung desselben.First there is a description of a heating unit according to the invention; This is followed by a description of how to use it.
Das Heizaggregat dient dem Erzeugen von Wärme aus einem brennbaren Gas zwecks deren Verwendung zum Versorgen beispielsweise einer Wohnung, eines Hauses oder eines Industriegebäudes mit Wärme insbesondere zum Heizen. Das Heizaggregat umfasst mindestens einen Brenner zur Erzeugung der Wärme und mindestens einen Wärmetauscher zum Übertragen der erzeugten Wärme an ein flüssiges Transportmedium wie insbesondere Wasser, welches dem Abtransport der Wärme dient. Der Brenner ist mit Wasserstoffgas betreibbar.The heating unit is used to generate heat from a combustible gas for the purpose of using it to supply, for example, an apartment, a house or an industrial building with heat, in particular for heating. The heating unit comprises at least one burner for generating the heat and at least one heat exchanger for transferring the heat generated to a liquid transport medium, such as in particular water, which is used to transport the heat away. The burner can be operated with hydrogen gas.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Brenner folgende Komponenten aufweist:
- - Eine Brennkammer zur Aufnahme einer wässrigen Lösung wie insbesondere Wasser, welches reines Wasser ist oder auch mit Zusatzstoffen versehen sein kann. Über der wässrigen Lösung verbleibt ein flüssigkeitsfreier Brennraum. In diesem ist eine von einem Brennstoff speisbare Pilotflamme entzündbar. Der Brennstoff ist mittels einer Energiequelle zur Pilotflamme entzündbar. Das Vorliegen der Pilotflamme ist wichtig, um die Explosionsgefahr zu vermeiden, wie noch weiter unten beschrieben wird. Die Energiequelle muss nur kurzzeitig in Betrieb sein, da die Pilotflamme nach dem Entzünden aufgrund des Kontakts mit dem Brennstoff selbsttätig weiterbrennt.
- - Eine Sauerstoff-Zufuhr in die Brennkammer. Der Sauerstoff wird für die nachfolgende Verbrennung des Wasserstoffes im Brennraum benötigt. Der Brennraum kann entsprechende Öffnungen aufweisen, durch welche Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Gas in ihn einleitbar sind. Die Öffnungen können nahe oberhalb der brennbaren Flüssigkeit, oder mittig im Brennraum, oder im Bereich nahe unterhalb seiner Decke angeordnet sein. Bevorzugt sind sie in etwa mittig im unteren Teil des Brennraums, mindestens ca. 10 cm über der Pilotflamme, angeordnet.
- - Einen mit Strom betreibbaren Elektrolyseur für Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus der wässrigen Lösung, deren Spaltprodukte wie insbesondere der Wasserstoff in die wässrige Lösung der Brennkammer einleitbar sind.
- - A combustion chamber for holding an aqueous solution such as, in particular, water, which is pure water or can also be provided with additives. A liquid-free combustion chamber remains above the aqueous solution. In this, a pilot flame that can be fed by a fuel can be ignited. The fuel is ignitable using an energy source to the pilot flame. The presence of the pilot flame is important to avoid the risk of explosion, as described below. The energy source only needs to be in operation for a short time, as the pilot flame continues to burn automatically after ignition due to contact with the fuel.
- - An oxygen supply into the combustion chamber. The oxygen is needed for the subsequent combustion of the hydrogen in the combustion chamber. The combustion chamber can have corresponding openings through which oxygen or oxygen-containing gas can be introduced into it. The openings can be arranged close above the flammable liquid, or in the middle of the combustion chamber, or in the area close to the ceiling. They are preferably arranged approximately centrally in the lower part of the combustion chamber, at least approx. 10 cm above the pilot flame.
- - An electrolyser for water that can be operated with electricity to produce hydrogen and oxygen from the aqueous solution, their cleavage products such as water in particular material can be introduced into the aqueous solution of the combustion chamber.
Dabei können die mittels der Elektrolyse erzeugte Gase durch die wässrige Lösung und ggf. eine darüberliegende Schicht der brennbaren Flüssigkeit aufsteigen und zusammen mit zugeführtem Sauerstoff und der Pilotflamme im Brennraum unter Erzeugung von Wärme verbrennen. Die Wärme ist dann anschließend an den Wärmetauscher abgebbar und mittels des flüssigen Transportmediums abtransportierbar.The gases generated by electrolysis can rise through the aqueous solution and possibly an overlying layer of flammable liquid and burn together with supplied oxygen and the pilot flame in the combustion chamber, generating heat. The heat can then be transferred to the heat exchanger and transported away using the liquid transport medium.
Aufgrund des Vorliegens der Pilotflamme wird in den Brennraum gelangendes Wasserstoffgas auch sofort verbrannt; es kann sich somit nicht ansammeln und bei Zündung unkontrolliert explodieren.Due to the presence of the pilot flame, hydrogen gas entering the combustion chamber is also burned immediately; This means it cannot accumulate and explode uncontrollably when ignited.
Die Erfindung vermeidet somit die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile.The invention thus avoids the disadvantages known from the prior art.
Ein erfindungsgemäßes Heizaggregat arbeitet aufgrund der Nutzung von Wasserstoffgas, welches zusammen mit Sauerstoff zu Wasserdampf verbrennt, praktisch rückstandsfrei. Da der Wasserstoff nur bei Bedarf durch Elektrolyse erzeugt und dann auch sogleich verbrannt wird, muss er nicht gesammelt und mit entsprechendem Energie- und Konstruktionsaufwand unter Druck gespeichert werden, was das erfindungsgemäße Heizaggregat klein hält und seine Betriebssicherheit erhöht. Auch ein unkontrolliertes Entzünden von angesammeltem Gas im Brennraum wird aufgrund der Pilotflamme wirkungsvoll vermieden.A heating unit according to the invention works practically without residue due to the use of hydrogen gas, which burns together with oxygen to form water vapor. Since the hydrogen is only produced when needed by electrolysis and then immediately burned, it does not have to be collected and stored under pressure with the corresponding energy and construction effort, which keeps the heating unit according to the invention small and increases its operational safety. The pilot flame also effectively prevents uncontrolled ignition of accumulated gas in the combustion chamber.
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben.Various embodiments of the invention are described in more detail below.
Nach einer Ausführungsform liegt der Brennstoff für die Pilotflamme in Form einer brennbaren Flüssigkeit oder eines brennbaren Gases, welche bzw. welches in den Brennraum einspritzbar ist, vor. Die Einspritzung kann bevorzugt seitlich und nahe der Oberfläche der wässrigen Lösung erfolgen. Durch Entzündung des Brennstoffes wird die Pilotflamme bereitgestellt.According to one embodiment, the fuel for the pilot flame is in the form of a combustible liquid or a combustible gas, which can be injected into the combustion chamber. The injection can preferably take place laterally and close to the surface of the aqueous solution. The pilot flame is provided by igniting the fuel.
Nach einer anderen Ausführungsform liegt der Brennstoff für die Pilotflamme in Form einer auf der wässrigen Lösung schwimmenden Schicht einer brennbaren Flüssigkeit vor. Auf der wässrigen Lösung ist eine demnach Schicht einer brennbaren Flüssigkeit wie z.B. Ethanol platzierbar, die aufgrund ihrer geringeren Dichte als Schicht oben auf der wässrigen Lösung schwimmt. In diesem Fall liegt eine Pilotflamme vor, wie sie sich beispielsweise an der Flüssigkeits-Luft-Grenzschicht bei einem Ethanolkamin bildet. According to another embodiment, the fuel for the pilot flame is in the form of a layer of flammable liquid floating on the aqueous solution. A layer of a flammable liquid such as ethanol can be placed on the aqueous solution, which floats as a layer on top of the aqueous solution due to its lower density. In this case there is a pilot flame, such as that which forms at the liquid-air interface in an ethanol fireplace.
Nach einer Ausführungsform des Heizaggregats ist die brennbare Flüssigkeit ein Alkohol. Dieser kann auf einfache Weise in den Brennraum bzw. die Brennkammer eingespritzt werden. Aber auch andere Stoffe wie beispielsweise Ethanol oder denaturierter Alkohol sind als brennbare Flüssigkeiten denkbar.According to one embodiment of the heating unit, the flammable liquid is an alcohol. This can be easily injected into the combustion chamber or combustion chamber. But other substances such as ethanol or denatured alcohol are also conceivable as flammable liquids.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Energiequelle elektrisch betreibbar und erzeugt Wärme. Insbesondere kommt hier eine so genannte Glühkerze in Betracht, wie sie aus Dieselmotoren oder von elektrischen Zigarettenanzündern bekannt ist. Die Energiequelle kann beispielsweise auch durch einen Zündfunken oder einen Plasmabogen bereitgestellt sein. Auch eine mechanische Zündung, beispielsweise unter Verwendung eines Piezokristalls, ist möglich.According to a further embodiment, the energy source can be operated electrically and generates heat. In particular, a so-called glow plug comes into consideration here, as is known from diesel engines or electric cigarette lighters. The energy source can also be provided, for example, by an ignition spark or a plasma arc. Mechanical ignition, for example using a piezo crystal, is also possible.
Nach einer weiteren und besonders bevorzugten Ausführungsform entstammt der Sauerstoff der Umgebungsluft. Auf diese Weise wird das anderweitige Vorhalten der entsprechend zur Verbrennung benötigten Menge Sauerstoffgases vermieden. Vorzugsweise kann die Zufuhr der Umgebungsluft gesteuert werden. Ferner kann ein Filter zum Zurückhalten von bei der Verbrennung unerwünschten Schwebstoffen etc. vorgesehen sein.According to a further and particularly preferred embodiment, the oxygen comes from the ambient air. In this way, the amount of oxygen gas required for combustion is avoided in other ways. The supply of ambient air can preferably be controlled. Furthermore, a filter can be provided to retain suspended matter, etc., which is undesirable during combustion.
Dem Elektrolyseur fällt wie erwähnt die Aufgabe des Aufspaltens des in der wässrigen Lösung enthaltenen Wassers zu. Ein vorteilhafter Aufbau sieht vor, dass der Elektrolyseur zwei säurebeständige und bevorzugt dünnwandige, ineinander angeordnete und insbesondere konzentrische, aus Metallgittern, -rohren oder - blechen bestehende oder solche Bauteile umfassende Elektroden aufweist. Für die vorzugsweise außenliegende Kathode kommt insbesondere korrosionsbeständiger Stahl wie z.B. sog. V2A- oder vorzugsweise mindestens V4A-Stahl in Betracht. Die vorzugsweise innenliegende Anode besteht oder umfasst insbesondere eine Wolframelektrode und kann von einem aus Titan bzw. einem aus Titanlegierung bestehenden Blech oder -gitter umschlossen sein, um die Oberfläche zu vergrößern. Versuche haben ergeben, dass mit einer derartigen Materialkombination ein besonders ertragreicher und wartungsarmer Betrieb des Heizaggregats möglich ist.As mentioned, the electrolyzer has the task of splitting the water contained in the aqueous solution. An advantageous structure provides that the electrolyzer has two acid-resistant and preferably thin-walled, nested and in particular concentric electrodes made of metal grids, tubes or sheets or comprising such components. Corrosion-resistant steel, such as so-called V2A or preferably at least V4A steel, is particularly suitable for the cathode, which is preferably located on the outside. The preferably internal anode consists or comprises in particular a tungsten electrode and can be surrounded by a sheet or grid made of titanium or a titanium alloy in order to increase the surface area. Tests have shown that such a combination of materials enables particularly productive and low-maintenance operation of the heating unit.
Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst das Heizaggregat auch einen Wärmespeicher wie besonders bevorzugt einen so genannten Latentwärmespeicher (auch als Phasenwechsel- oder PCM-Speicher bezeichnet). Der Speicher wirkt mit einem dem Brenner nachgeschalteten Flammrohr zusammen, was bedeutet, dass das Flammrohr eine möglichst gute Wärmeabgabe in den Wärmespeicher erlauben sollte. Dies ist beispielsweise durch einen Einbau des Flammrohrs in das Innere des Wärmespeichers möglich; das Flammrohr wird seinerseits in seinem Inneren vom heißen Gas durchströmt, welches dem Brenner entstammt. Somit kann die Wärme vom verbrennenden Gas in den Wärmespeicher gelangen, ohne dieses direkt zu kontaktieren. Der Wärmespeicher kann z.B. 200 1 des Speichermediums fassen.According to a further embodiment, the heating unit also includes a heat storage, particularly preferably a so-called latent heat storage (also referred to as a phase change or PCM storage). The storage works together with a flame tube connected downstream of the burner, which means that the flame tube should allow the best possible heat release into the heat storage. This can be done, for example, by installing the flame tube inside of heat storage possible; The interior of the flame tube is in turn flowed through by the hot gas that comes from the burner. This means that the heat from the burning gas can get into the heat storage without coming into direct contact with it. The heat storage can hold, for example, 200 l of the storage medium.
Ein Latentwärmespeicher bietet den Vorteil einer - bezogen auf sein Volumen - besonders großen Wärmespeicherfähigkeit, da er neben der bloßen thermischen Erwärmung seines Inhalts auch die mit dem Übergang des Speichermediums aus dem kristallförmigen in den flüssigen Zustand in Zusammenhang stehende latente Wärme zur Speicherung nutzt.A latent heat storage offers the advantage of a particularly large heat storage capacity relative to its volume, since in addition to the mere thermal heating of its contents, it also uses the latent heat associated with the transition of the storage medium from the crystalline to the liquid state for storage.
Für den Fall des Vorliegens eines Latentwärmespeichers umfasst das Heizaggregat vorzugsweise auch eine Einrichtung zum gezielten Auslösen einer Kristallisierung des im Latentwärmespeicher enthaltenen Speichermediums, beispielsweise in Form der Bereitstellung eines elektrischen oder elektromagnetischen Impulses. Bei der bedarfsgesteuert ausgelösten Kristallisation wird somit über einen längeren Zeitraum (z.B. 60 Minuten) eine große Wärmemenge (z.B. 10 kWh oder mehr) freigesetzt. Dieser Vorgang kann sowohl zur Abdeckung von Anforderungsspitzen als auch dann zum Einsatz kommen, wenn gerade kein günstiger Strom zur Elektrolyse vorhanden ist, gleichwohl jedoch Wärme benötigt wird. Umgekehrt kann bei Vorliegen günstigen Stroms ein „entladender“ Wärmespeicher vorsorglich „aufgeladen“ werden, was die Wirtschaftlichkeit erhöht.In the event that a latent heat storage is present, the heating unit preferably also includes a device for specifically triggering crystallization of the storage medium contained in the latent heat storage, for example in the form of providing an electrical or electromagnetic pulse. With crystallization triggered on demand, a large amount of heat (e.g. 10 kWh or more) is released over a longer period of time (e.g. 60 minutes). This process can be used to cover demand peaks as well as when there is no cheap electricity available for electrolysis, but heat is still needed. Conversely, if cheap electricity is available, a “discharging” heat storage device can be “charged” as a precautionary measure, which increases economic efficiency.
Nach einer anderen Ausführungsform umfasst das Heizaggregat eine bedarfsgesteuerte, also wärmeanforderungsabhängige Einspritzung für den Brennstoff. Das bedeutet, dass der Brennstoff nur dann nachgeführt wird, wenn der Elektrolyseur in Betrieb gehen soll; auch dies erhöht die Betriebssicherheit, da nur eine geringe Menge an Brennstoff in der Brennkammer vorhanden ist.According to another embodiment, the heating unit includes a demand-controlled, i.e. heat requirement-dependent, injection for the fuel. This means that the fuel is only replenished when the electrolyser is supposed to go into operation; This also increases operational safety because there is only a small amount of fuel in the combustion chamber.
Bevorzugt ist ferner, dass die Elektrolyse temperaturgesteuert auslösbar ist. Hierfür kann vorzugsweise ein Flüssigkeits- und/oder ein Gas-Temperatursensor vorhanden sein. Der Flüssigkeits-Temperatursensor ist im Brenner vorzugsweise nahe der Grenzschicht zwischen Flüssigkeit (wässriger Lösung bzw. Schicht brennbarer Flüssigkeit) angeordnet und misst die dort herrschende Temperatur. Der Gas-Temperatursensor ragt in den Brennraum und misst die Temperatur dort.It is also preferred that the electrolysis can be triggered in a temperature-controlled manner. For this purpose, a liquid and/or a gas temperature sensor can preferably be present. The liquid temperature sensor is preferably arranged in the burner near the boundary layer between liquid (aqueous solution or layer of flammable liquid) and measures the temperature prevailing there. The gas temperature sensor protrudes into the combustion chamber and measures the temperature there.
Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, haben Versuche ergeben, dass die Temperatur in der Flüssigkeit mindestens in etwa 85°C, und im darüber befindlichen Brennraum in etwa 95°C oder mehr betragen sollte, bevor die Elektrolyse gestartet wird und Wasserstoffgas in den Brennraum gelangt, da erst ab dieser Temperatur ein stabiles selbsttätiges Verbrennen des Wasserstoffgases zusammen mit Sauerstoff erfolgt. Demnach ist besonders bevorzugt auch eine Steuerung vorhanden, welche den Elektrolyseur erst bei Erreichen der o.g. Solltemperatur(en) in Betrieb setzt.To ensure safe operation, tests have shown that the temperature in the liquid should be at least around 85°C and in the combustion chamber above it should be around 95°C or more before the electrolysis is started and hydrogen gas enters the combustion chamber , since only from this temperature onwards a stable, automatic combustion of the hydrogen gas together with oxygen occurs. Accordingly, it is particularly preferred to also have a control system which only starts the electrolyser when the above-mentioned target temperature(s) is reached.
Das Aufwärmen der Flüssigkeit(en) im Brenner erfolgt bevorzugt mittels der Pilotflamme, die wiederum erst dann gestartet werden muss, wenn eine Wärmeanforderung anliegt, welche nicht (mehr) mittels der im (dann vorhandenen) Wärmespeicher verbleibenden Wärmemenge abdeckbar ist.The liquid(s) in the burner are preferably warmed up using the pilot flame, which in turn only has to be started when there is a heat requirement that can no longer be covered by the amount of heat remaining in the (then existing) heat storage.
Nach einer anderen Ausführungsform umfasst das Heizaggregat einen Druckausgleichsbehälter für das im Wärmespeicher befindliche Speichermedium. Da sich flüssige Medien bei einer Erwärmung ausdehnen, kann dies zu einem Druckanstieg im Wärmespeicher führen, welcher mittels eines Druckausgleichsbehälters verringert oder ganz vermieden werden kann.According to another embodiment, the heating unit comprises a pressure compensation container for the storage medium located in the heat storage. Since liquid media expands when heated, this can lead to an increase in pressure in the heat storage, which can be reduced or avoided entirely using a pressure compensation tank.
Ferner kann das Heizaggregat auch einen zweiten Wärmetauscher umfassen. Der erste Wärmetauscher kann dann z.B. ein mit dem Heizkreislauf eines Hauses verbindbarer und bevorzugt mit dem Flammrohr verbundener, d.h. dieses möglichst direkt umschließender Röhrenwärmetauscher sein. Auf diese Weise wird das unter hohen Temperaturen verbrennende (Ab-)Gas effizient heruntergekühlt. Der zweite Wärmetauscher kann z.B. ein mit dem Brauchwasserspeicher eines Hauses verbindbarer und bevorzugt im Speichermedium des Latentwärmespeichers angeordneter Plattenwärmetauscher oder Röhrenwärmetauscher sein. Dieser ist zur Übertragung der (im Vergleich zu den im Flammrohr herrschenden, deutlich über 100°C liegenden) niedrigeren Temperaturen, wie sie im Wärmespeicher vorliegen (z.B. 50 bis 80 °C) gut geeignet. Wenngleich die Kristallisation bei einer Temperatur von z.B. 54°C abläuft, ist klar, dass sich der Speicher aufgrund der räumlichen Nähe zum Flammrohr entsprechend weiter aufheizen kann (das Speichermedium liegt dann in flüssiger Form vor).Furthermore, the heating unit can also include a second heat exchanger. The first heat exchanger can then be, for example, a tubular heat exchanger that can be connected to the heating circuit of a house and is preferably connected to the flame tube, i.e. which surrounds it as directly as possible. In this way, the (exhaust) gas burning at high temperatures is efficiently cooled down. The second heat exchanger can, for example, be a plate heat exchanger or tubular heat exchanger that can be connected to the domestic hot water storage tank of a house and is preferably arranged in the storage medium of the latent heat storage tank. This is well suited to transmitting the lower temperatures (compared to the temperatures prevailing in the flame tube, which are significantly above 100 °C) as they are in the heat storage (e.g. 50 to 80 °C). Although the crystallization takes place at a temperature of, for example, 54°C, it is clear that the storage can continue to heat up due to the spatial proximity to the flame tube (the storage medium is then in liquid form).
Das Vorsehen zweier Wärmetauscher verbessert die Wirtschaftlichkeit des Heizaggregats und seine Einsatzmöglichkeiten weiter.The provision of two heat exchangers further improves the economic efficiency of the heating unit and its possible uses.
Nach einer anderen Ausführungsform umfasst das Heizaggregat einen stromabwärts des Flammrohrs angeordneten Kondensator. Dieser dient dem Auffangen des mittels Kondensierens bei der Verbrennung anfallenden Wasserdampfes. Da die Temperaturen direkt nach der Verbrennung des Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches noch deutlich oberhalb der Siedetemperatur von Wasser liegen, ist es vorteilhaft, auch die im Abgas vorliegende Wärme zu nutzen. Hierzu dient besagter Kondensator. Die dort aufgenommene Wärme kann z.B. mittels einer Wärmepumpe in den Speicher transportiert werden.According to another embodiment, the heating unit comprises a condenser arranged downstream of the flame tube. This serves to collect the water vapor produced by condensation during combustion. Since the temperatures immediately after the combustion of the hydrogen-oxygen mixture are still significantly above the boiling point of water, It is advantageous to also use the heat present in the exhaust gas. The capacitor in question is used for this purpose. The heat absorbed there can be transported to the storage tank using a heat pump, for example.
Dem Kondensator kann optional ein Wärmepuffer vorgelagert sein, mittels welchem das heiße Abgas etwas heruntergekühlt wird. Dieser kann z.B. aus sehr hitzebeständigem Keramikschwamm-Material bestehen oder dieses umfassen, wie es z.B. auch aus Fahrzeugkatalysatoren bekannt ist. Ist der Wärmepuffer entsprechend bemessen, so heizt sich der nachgelagerte Kondensator nicht über 100°C auf, was erwünscht ist, da er andernfalls nicht zu einem Kondensieren des Wasserdampfes führen würde.The condenser can optionally be preceded by a heat buffer, by means of which the hot exhaust gas is cooled down slightly. This can, for example, consist of or include very heat-resistant ceramic sponge material, as is also known, for example, from vehicle catalytic converters. If the heat buffer is sized accordingly, the downstream capacitor does not heat up to more than 100°C, which is desirable because otherwise it would not lead to condensation of the water vapor.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Heizaggregat auch mindestens ein mit dem vorstehend genannten Kondensator verbundenes Peltier-Element zur Umwandlung der im Kondensator anfallenden Abwärme in elektrische Energie. Diese ist dann zwischenspeicherbar, z.B. mittels eines Akkumulators, und kann bei Bedarf dem Elektrolyseur wieder zugeführt werden, was die Wirtschaftlichkeit erneut erhöht.According to a preferred embodiment, the heating unit also includes at least one Peltier element connected to the above-mentioned capacitor for converting the waste heat generated in the capacitor into electrical energy. This can then be temporarily stored, for example using an accumulator, and can be fed back to the electrolyser if necessary, which further increases economic efficiency.
Zusätzlich ist zwischen Kondensator und Flammrohr bzw. vorzugsweise optionalem Wärmepuffer ein Stirlingmotor verbaut. Dieser wird mittels Wärme betrieben und wandelt mechanische in elektrische Energie um, was die Wirtschaftlichkeit erhöht.In addition, a Stirling engine is installed between the condenser and the flame tube or, preferably, the optional heat buffer. This is operated using heat and converts mechanical energy into electrical energy, which increases economic efficiency.
Im Übrigen ist, die zum Betrieb des Elektrolyseurs benötigte elektrische Energie, die beispielsweise eine Spannung von 12 - 24 V und eine Stromstärke von 10 A benötigen kann, auch durch Solarstrom ergänz- oder gar vollständig ersetzbar, sofern die den Strom produzierende Anlage ausreichend bemessen ist (zum direkten Betrieb ist eine Leistung von z.B. 250 kWp ausreichend). Ist ein Stromspeicher vorhanden, kann dieser auch bei Vorliegen von Solarstrom mit diesem beladen und später bei Bedarf vom Elektrolyseur entladen werden; in diesem Fall kann auch eine größer oder kleiner bemessene Solaranlage sinnvoll einsetzbar sein.Furthermore, the electrical energy required to operate the electrolyser, which can, for example, require a voltage of 12 - 24 V and a current of 10 A, can also be supplemented or even completely replaced by solar power, provided that the system producing the electricity is sufficiently sized (For direct operation, a power of e.g. 250 kWp is sufficient). If there is a power storage device, it can be charged with solar power even if solar power is available and later discharged by the electrolyzer if necessary; In this case, a larger or smaller solar system can also be useful.
Nach einer Ausführungsform umfasst das Heizaggregat eine Kondensat-Leitung zur Rückführung des kondensierten Wassers vom Kondensator in die Brennkammer. Das bedeutet, dass ein Kreislauf geschaffen ist, bei welchem im Wesentlichen immer dasselbe Wasser aufgespalten, verbrannt und kondensiert wird, um anschließend wieder der Aufspaltung zugeführt zu werden („geschlossenes“ System). Somit ist der Wasserverbrauch eines solchen Heizaggregats vernachlässigbar.According to one embodiment, the heating unit includes a condensate line for returning the condensed water from the condenser to the combustion chamber. This means that a cycle is created in which essentially the same water is always split, burned and condensed, before being fed back into the splitting process (“closed” system). The water consumption of such a heating unit is therefore negligible.
Optional umfasst ein derartiges Heizaggregat einen für das (Kreislauf-)Wasser vorgesehenen Ausgleichsbehälter, der zwischen Kondensat-Leitung und Brennkammer angeordnet ist, sowie einen Zulauf zum (gelegentlich notwendigen) Nachfüllen oder Austauschen dieser wässrigen Lösung, und/oder zur Hinzufügung von Zusatzstoffen.Optionally, such a heating unit includes a compensation tank provided for the (circulating) water, which is arranged between the condensate line and the combustion chamber, as well as an inlet for (occasionally necessary) refilling or replacing this aqueous solution, and/or for adding additives.
Nach einer anderen Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Heizaggregat „offen“ aufgebaut, verbraucht also laufend Wasser bzw. wässrige Lösung. Diese muss dann entsprechend nachgefüllt werden, vorzugsweise ebenfalls unter Verwendung eines Ausgleichsbehälters, der in die Brennkammer mündet. Ein solches Heizaggregat ist dafür demensprechend einfacher aufgebaut. Insbesondere ein solches offenes System kann vorteilhafterweise auch in eine bereits vorhandene Feuerstelle eingebaut werden, z.B. in die Brennkammer einer Gas- oder Ölheizung, einen (vorzugsweise mit Wassertasche versehenen) Kamin oder eine andere, fossile Brennstoffe verbrauchende Heizung.According to another embodiment, the heating unit according to the invention is constructed in an “open” manner, i.e. it continuously consumes water or an aqueous solution. This must then be refilled accordingly, preferably also using an expansion tank that opens into the combustion chamber. Such a heating unit is therefore constructed in a simpler manner. In particular, such an open system can advantageously also be installed in an existing fireplace, e.g. in the combustion chamber of a gas or oil heater, a fireplace (preferably provided with a water pocket) or another heater that uses fossil fuels.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die in den Elektrolyseur einleitbare wässrige Lösung 10% ± 5% Natriumhydroxid (NaOH). Der Vorteil eines Zusatzes von NaOH liegt in der Erhöhung der Leitfähigkeit der wässrigen Lösung, was wiederum die Elektrolyse begünstigt. Auch ein anderer, denselben Effekt begünstigender Zusatz ist möglich.According to a preferred embodiment, the aqueous solution that can be introduced into the electrolyzer comprises 10% ± 5% sodium hydroxide (NaOH). The advantage of adding NaOH is that it increases the conductivity of the aqueous solution, which in turn promotes electrolysis. Another additive that promotes the same effect is also possible.
Ebenfalls bevorzugt ist, dass 90% ± 5% der wässrigen Lösung so genanntes „belebtes Wasser“ sind, welches auf einschlägig bekannte Weise „aktiviert“ wurde. Versuche haben ergeben, dass derartig vorbehandeltes Wasser nicht umkippt und daher auch praktisch nicht ersetzt zu werden braucht, was die Wirtschaftlichkeit erhöht.It is also preferred that 90% ± 5% of the aqueous solution is so-called “revived water” which has been “activated” in a manner known in the art. Tests have shown that water pretreated in this way does not tip over and therefore practically does not need to be replaced, which increases economic efficiency.
Nachfolgend wird die Verwendung des vorstehend beschriebenen Heizaggregats zum Erzeugen von Wärme aus einem brennbaren Gas beschrieben. Diese umfasst die folgenden Schritte:
- - Aufspalten von in einer wässrigen Lösung enthaltenem Wasser mittels eines in diese Lösung eingebetteten Elektrolyseurs in Wasserstoff und Sauerstoff;
- - Einleiten der Spaltgase wie insbesondere zumindest des abgespaltenen Wasserstoffs in eine Brennkammer, in welcher die wässrige Lösung, sowie ein zuoberst angeordneter flüssigkeitsfreier Brennraum enthalten sind;
- - Aufsteigen des Wasserstoffs und Sauerstoffs durch die Flüssigkeiten in den Brennraum;
- - Verbrennen des Wasserstoffs und Sauerstoffs zusammen mit zugeführtem Sauerstoff und einer aus einem Brennstoff gespeisten Pilotflamme;
- - direktes oder indirektes Abgeben der beim Verbrennen erzeugten Wärme an einen Wärmetauscher.
- - Splitting water contained in an aqueous solution into hydrogen and oxygen using an electrolyzer embedded in this solution;
- - Introducing the fission gases, in particular at least the split-off hydrogen, into a combustion chamber in which the aqueous solution and a liquid-free combustion chamber arranged at the top are contained;
- - Hydrogen and oxygen rise through the liquids into the combustion chamber;
- - Burning the hydrogen and oxygen together with supplied oxygen and a pilot flame fed from a fuel;
- - direct or indirect transfer of the heat generated during combustion to a heat exchanger.
Anders ausgedrückt, mittels elektrischer Energie wird ein in einer wässrigen Lösung befindlicher Elektrolyseur betrieben, welcher aus dem Wasser dieser Lösung Wasserstoff abspaltet; dieser steigt zusammen mit dem Sauerstoff durch die Lösung auf, und kontaktiert im Brennraum eine Flamme, wo er zu Wasserdampf verbrennt, wobei der Begriff des „Verbrennens“ das Vorhandensein von Sauerstoff impliziert; zusätzlicher Sauerstoff wird zugeführt, um die Verbrennung zu verbessern; die dabei freiwerdende Wärme kann nunmehr entnommen und an geeigneter Stelle genutzt werden.In other words, electrical energy is used to operate an electrolyzer located in an aqueous solution, which splits off hydrogen from the water in this solution; This rises through the solution together with the oxygen and contacts a flame in the combustion chamber, where it burns to form water vapor, the term “burning” implying the presence of oxygen; additional oxygen is supplied to improve combustion; The heat released can now be removed and used at a suitable location.
Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die obenstehenden Erläuterungen zum erfindungsgemäßen Heizaggregat verwiesen.To avoid repetition, reference is made to the above explanations of the heating unit according to the invention.
Beispielsweise wird die Pilotflamme durch eine brennbare Flüssigkeit oder ein brennbares Gas, welche bzw. welches in den Brennraum eingespritzt wird, gespeist. Dieser Brennstoff verbrennt sofort, schlägt sich also nicht in flüssiger Form nieder.For example, the pilot flame is fed by a flammable liquid or gas which is injected into the combustion chamber. This fuel burns immediately, so it does not precipitate into liquid form.
Vorzugsweise wird die Pilotflamme jedoch durch eine auf der wässrigen Lösung schwimmende Schicht einer brennbaren Flüssigkeit gespeist. Es ist klar, dass in diesem Fall die Spaltgase auch durch diese Schicht aufsteigen, um dann in den flüssigkeitsfreien Brennraum zu gelangen.However, the pilot flame is preferably fed by a layer of a flammable liquid floating on the aqueous solution. It is clear that in this case the fission gases also rise through this layer and then reach the liquid-free combustion chamber.
Auch hier wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obenstehenden Erläuterungen verwiesen.Here too, to avoid repetition, reference is made to the explanations above.
Vorzugsweise erfolgt die Elektrolyse sowie die Einleitung der Spaltgase wie insbesondere des Wasserstoffgases in die Brennkammer erst bei Überschreiten einer Mindesttemperatur. Diese beträgt unterhalb der Grenzschicht zwischen Flüssigkeit und flüssigkeitsfreiem Brennraum bevorzugt mindestens 85 °C, und oberhalb derselben (d.h. in dem Brennraum) 95 °C. Besonders bevorzugt erfolgt auch ein Einschalten des Elektrolyseurs erst bei Erreichen dieser Temperatur(en), was mittels geeigneter Temperatursensoren detektiert und durch eine Steuerung veranlasst wird. Da der Elektrolyseur in der wässrigen Flüssigkeit eingebettet ist, zieht ein Einschalten sogleich auch ein Einleiten nach sich.The electrolysis and the introduction of the fission gases, such as in particular the hydrogen gas, into the combustion chamber preferably only take place when a minimum temperature is exceeded. This is preferably at least 85 ° C below the boundary layer between liquid and liquid-free combustion chamber, and 95 ° C above it (i.e. in the combustion chamber). It is particularly preferred that the electrolyzer is only switched on when these temperature(s) are reached, which is detected using suitable temperature sensors and triggered by a control. Since the electrolyzer is embedded in the aqueous liquid, switching it on immediately results in an initiation.
Bevorzugt wird die erzeugte Wärme teilweise oder ganz zunächst in einem Wärmespeicher zwischengespeichert, aus welchem sie bedarfsgesteuert an ein flüssiges Transportmedium mindestens eines Wärmetauschers abgegeben wird. Der Wärmespeicher ist besonders bevorzugt als Latentwärmespeicher ausgebildet. Neben der thermisch gespeicherten Wärme enthält dieser die latente Wärme eines geeigneten Speichermediums (z.B. eines Natrium-Acetat-Trihydrat-Wassergemisches), die beim Übergang vom kristallinen in den flüssigen Zustand speicherbar ist.Preferably, the heat generated is partially or completely initially stored in a heat storage device, from which it is released as needed to a liquid transport medium of at least one heat exchanger. The heat storage is particularly preferably designed as a latent heat storage. In addition to the thermally stored heat, it contains the latent heat of a suitable storage medium (e.g. a sodium-acetate-trihydrate-water mixture), which can be stored during the transition from the crystalline to the liquid state.
Eine bedarfsgerechte Steuerung kann eine zu diesem Zwecke vorzusehende Einrichtung zum gezielten Auslösen der Kristallisation ansteuern, so dass eine verhältnismäßig große Wärmemenge auf Anforderung hin bereitstellbar ist. Es ist klar, dass nach dem vollständigen Durchkristallisieren des Speichermediums nur noch thermische (Rest-)Wärme vorhanden ist, die gleichwohl ebenfalls genutzt werden kann. Es ist auch klar, dass durch Zuführung einer entsprechenden Wärmemenge bei ausreichend hoher Temperatur (z.B. min. 65 °C) die Kristallisation rückgängig gemacht werden und somit der Latentwärmespeicher wieder „aufgeladen“ werden kann, was vorzugsweise dann geschieht, wenn a) keine größere Wärmemenge anderweitig benötigt wird, und b) der zum Betrieb des Elektrolyseurs benötigte Strom gerade günstig ist (z.B. tagsüber durch den Betrieb einer PV-Anlage). Die Steuerung ist dazu eingerichtet, eine externe Anforderung von Wärme zu erkennen und (z.B. zu Unterschreitung einer Mindesttemperatur im Heizkreislauf einer Heizung oder einem Brauchwasserspeicher) und entsprechend zu reagieren (Einschalten des Elektrolyseurs und/oder Auslösen der Kristallisation im Latentwärmespeicher).A needs-based control can control a device to be provided for this purpose for specifically triggering crystallization, so that a relatively large amount of heat can be provided upon request. It is clear that after the storage medium has completely crystallized, there is only thermal (residual) heat left, which can nevertheless also be used. It is also clear that by supplying an appropriate amount of heat at a sufficiently high temperature (e.g. at least 65 °C), crystallization can be reversed and the latent heat storage can thus be “charged” again, which preferably happens when a) there is no larger amount of heat is needed elsewhere, and b) the electricity required to operate the electrolyser is currently cheap (e.g. during the day by operating a PV system). The control is set up to recognize an external request for heat (e.g. if the temperature falls below a minimum temperature in the heating circuit of a heater or a hot water storage tank) and to react accordingly (switching on the electrolyser and/or triggering crystallization in the latent heat storage tank).
Ebenfalls bevorzugt wird die bei einer Kondensation freiwerdende Wärme des bei der Verbrennung entstehenden Wasserdampfes einem Stirlingmotor oder einer Gasturbine zugeführt, und/oder mittels mindestens eines Peltier-Elements in elektrische Energie umgewandelt, welche zwischengespeichert und/oder dem Elektrolyseur zugeführt wird. Auch hier wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obenstehenden Erläuterungen verwiesen.Also preferably, the heat released during condensation of the water vapor produced during combustion is fed to a Stirling engine or a gas turbine and/or converted into electrical energy by means of at least one Peltier element, which is temporarily stored and/or fed to the electrolyzer. Here too, to avoid repetition, reference is made to the explanations above.
Nach einer Ausführungsform wird das durch Kondensation wiedergewonnene Wasser der Brennkammer erneut zugeführt, so dass ein „geschlossener“ Kreislauf des Wassers bzw. der wässrigen Lösung vorliegt. Etwaige nicht vom Elektrolyseur aufspaltbare Bestandteile, beispielsweise das weiter oben genannte Natriumhydroxid, reichern sich zwar zunächst in der Brennkammer an. Allerdings strömt aus der Rückführung im Wesentlichen destilliertes Wasser zurück, so dass die Konzentration von NaOH im Wesentlichen konstant bleibt.According to one embodiment, the water recovered by condensation is fed back into the combustion chamber, so that there is a “closed” circuit of the water or the aqueous solution. Any components that cannot be broken down by the electrolyzer, for example the sodium hydroxide mentioned above, initially accumulate in the combustion chamber. However, essentially distilled water flows back from the return, so that the concentration of NaOH remains essentially constant.
Nach einer anderen Ausführungsform wird der Brennkammer frisches Wasser bzw. eine frische wässrige Lösung von Außerhalb zugeführt. Hier handelt es sich dementsprechend um ein „offenes System“, wie es weiter oben bereits beschrieben wurde.According to another embodiment, fresh water or a fresh aqueous solution is supplied to the combustion chamber from outside. This is therefore an “open system”, as already described above.
FigurenbeschreibungCharacter description
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren beispielhaft erläutert. Dabei zeigt
-
1 einen schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Brenners; -
2 eine schematische Überblickszeichnung eines als „geschlossen“ ausgestalteten Systems mit Heizaggregat; -
3 eine schematische Überblickzeichnung eines als „offen“ ausgestalteten Systems.
-
1 a schematic sectional view of a burner according to the invention; -
2 a schematic overview drawing of a “closed” system with a heating unit; -
3 a schematic overview drawing of a system designed as “open”.
In der
Der Brenner 1 umfasst eine Brennkammer 2, in der eine wässrige Lösung W aufgenommen ist. Auf dieser ist eine Schicht einer brennbaren Flüssigkeit B platziert, die aufgrund ihrer geringeren Dichte aufschwimmt. Mittels einer Energiequelle 3 ist diese zu einer Pilotflamme entzündbar (nicht separat dargestellt). Oberhalb der brennbaren Flüssigkeit B verbleibt ein flüssigkeitsfreier Brennraum 4. Nach einer nicht gezeigten Ausführungsform entfällt die Schicht der brennbaren Flüssigkeit (B); stattdessen wird die Pilotflamme durch seitlich eingespritzten Brennstoff (Gas oder Flüssigkeit) gespeist.The
In den Brennraum 4 münden an dessen oberem Rand eine Sauerstoff-Zufuhr 5, die mehrere Öffnungen umfasst, in welche Umgebungsluft einströmen oder eingeblasen werden kann. Die Pfeile ohne Bezugszeichen deuten dieses Einströmen an.An
Am unteren Ende des Brenners 1 ist ein Elektrolyseur 6 angeordnet. Dieser umfasst im gezeigten Beispiel zwei konzentrische, ineinander angeordnete Elektroden 7A, 7B (elektrische Zuleitungen nicht dargestellt). Die beiden Elektroden 7A, 7B werden mittels einer geeigneten Halterung 8 zusammengehalten.An electrolyzer 6 is arranged at the lower end of the
In den unteren Bereich der Brennkammer 2 führt eine Zuleitung (ohne Bezugszeichen), die mit einem Ausgleichsbehälter (nicht dargestellt) verbunden ist.A supply line (without reference number) leads into the lower area of the
Ferner ist ein Gas-Temperatursensor 9 zur Bestimmung der Temperatur im flüssigkeitsfreien Brennraum 4, sowie ein Flüssigkeits-Temperatursensor 10 zur Bestimmung der Temperatur in der Flüssigkeit W, B vorhanden. Nicht dargestellt sind die elektrischen Leitungen zu einer Steuerung, welche die Messdaten aufnimmt und den Elektrolyseur sowie weitere, nicht gezeigte Komponenten in geeigneter Weise steuert oder regelt. Unter anderen betrifft dies eine (bedarfsgerechte) Einspritzung 11 für die brennbare Flüssigkeit.There is also a gas temperature sensor 9 for determining the temperature in the liquid-free combustion chamber 4, and a liquid temperature sensor 10 for determining the temperature in the liquid W, B. The electrical lines to a controller which records the measurement data and appropriately controls or regulates the electrolyzer and other components not shown are not shown. Among other things, this concerns a (need-based) injection 11 for the flammable liquid.
Wie aus der
In der
Im unteren Bereich ist der grob schematisch gezeichnete Brenner 1 zu erkennen. Dieser wird aus einem Ausgleichsbehälter 12 mit wässriger Lösung W gespeist. Oberhalb des Ausgleichsbehälters 12 ist ein Tank 13 mit Pumpe (nicht gezeigt) für die brennbare Flüssigkeit B eingezeichnet. Beide Behälter 12, 13 münden in die Brennkammer 2. Luftsauerstoff gelang durch die Sauerstoff-Zufuhr 5 in die Brennkammer 2. Nicht eingezeichnet ist der Elektrolyseur 6.The roughly schematically drawn
Die Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme (nicht gezeigt) verbrennt in der Brennkammer 2 und steigt durch das Flammrohr 14 auf. Dieses wird von einem Röhren-Wärmetauscher 15 umgeben, welcher über Zuleitungen 16 mit dem Heizkreislauf einer Heizung (nicht dargestellt) verbunden sein können.The hydrogen-oxygen flame (not shown) burns in the
Flammrohr 14 und Röhren-Wärmetauscher 15 sind in einem Wärmespeicher 17, der als Latentwärmespeicher ausgebildet ist, eingebettet. Dieser ist mit einer geeigneten Speichermedium gefüllt (nicht gezeigt). Etwas entfernt vom Flammrohr 14 und daher weniger hohen Temperaturen als der Röhren-Wärmetauscher 15 ausgesetzt ist ein zweiter Wärmetauscher, der als Platten-Wärmetauscher 18 ausgebildet ist. Auch dieser verfügt über Zuleitungen 19, mittels derer er mit einem Brauchwasserkreislauf (nicht gezeigt) verbunden sein kann. Alternativ kann auch ein Röhren-Wärmetauscher verwendet werden (nicht gezeigt). Um die im Speichermedium gespeicherte latente Wärme abzurufen, umfasst der Wärmespeicher 17 Einrichtung 24 zum gezielten Auslösen einer Kristallisierung (nur schematisch eingezeichnet), die mit der (ebenfalls nicht dargestellten) Steuerung verbunden ist.
An den Wärmespeicher 17 angeschlossen ist ein Druckausgleichsbehälter 20, je nach Bedarf kann Speichermedium in diesen einströmen oder zurück in den Wärmespeicher 17 fließen.A
Am oberen Ende des Wärmespeichers ist ein Wärmepuffer 21 angeordnet. Dieser dient der Verringerung der Temperatur des aus dem Flammrohr 14 nach oben hin ausströmenden Wasserdampfes. Stromabwärts des Wärmepuffers 21 befindet sich ein Kondensator 22, in welchem das heruntergekühlte Gas zu Wasser kondensiert. Das Innenleben des Kondensators 22 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit ist dem Kondensator 22 noch ein Stirlingmotor 25 vorgeschaltet. An der im Bild rechten Seite des Kondensators 22 befindet sich eine Kondensat-Leitung 23, welche im Ausgleichsbehälter 12 mündet. Somit ist ein Kreislauf für die wässrige Lösung geschaffen, weswegen das dargestellte System auch als „geschlossen“ bezeichnet werden kann.A
In der
Während der Brenner 1 in einer Feuerstelle (nicht gezeigt) eingebaut sein kann, ist der Ausgleichsbehälter 12 vorzugsweise außerhalb dieser angeordnet. Gleiches gilt für die Steuerung, einen Stromspeicher und andere elektrische Bauteile, die z.B. in einem Schaltkasten 24 zusammengefasst sein können. Ein Wärmespeicher ist zwar denkbar, aber beim offenen System nach
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- Brennerburner
- 22
- Brennkammercombustion chamber
- 33
- EnergiequelleEnergy source
- 44
- Brennraumcombustion chamber
- 55
- Sauerstoff-ZufuhrOxygen supply
- 66
- ElektrolyseurElectrolyzer
- 7A,7B7A,7B
- Elektrodeelectrode
- 88th
- Halterungbracket
- 99
- Gas-TemperatursensorGas temperature sensor
- 1010
- Flüssigkeits-TemperatursensorLiquid temperature sensor
- 1111
- Einspritzunginjection
- 1212
- Ausgleichsbehältersurge tank
- 1313
- Tank mit PumpeTank with pump
- 1414
- Flammrohrflame tube
- 1515
- Röhren-WärmetauscherTubular heat exchanger
- 1616
- ZuleitungenLeads
- 1717
- WärmespeicherHeat storage
- 1818
- Platten-WärmetauscherPlate heat exchanger
- 1919
- ZuleitungenLeads
- 2020
- DruckausgleichsbehälterPressure compensation tank
- 2121
- WärmepufferHeat buffer
- 2222
- Kondensatorcapacitor
- 2323
- Kondensat-LeitungCondensate line
- 2424
- SchaltkastenSwitch box
- 2525
- Stirlingmotor Stirling engine
- WW
- wässrige Lösungaqueous solution
- Bb
- brennbare Flüssigkeitflammable liquid
Claims (11)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE202022103597.0U DE202022103597U1 (en) | 2022-06-28 | 2022-06-28 | Hydrogen heating unit |
Applications Claiming Priority (1)
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Family Applications (1)
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2022
- 2022-06-28 DE DE202022103597.0U patent/DE202022103597U1/en active Active
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |