EP2534421B1 - Gasgebläsebrenner mit modulierbarer brennerleistung und verfahren zum betreiben eines gasgebläsebrenners - Google Patents

Gasgebläsebrenner mit modulierbarer brennerleistung und verfahren zum betreiben eines gasgebläsebrenners Download PDF

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EP2534421B1
EP2534421B1 EP10787464.6A EP10787464A EP2534421B1 EP 2534421 B1 EP2534421 B1 EP 2534421B1 EP 10787464 A EP10787464 A EP 10787464A EP 2534421 B1 EP2534421 B1 EP 2534421B1
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EP
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burner
gas
combustion
region
air
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Marco Melo
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/34—Burners specially adapted for use with means for pressurising the gaseous fuel or the combustion air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D23/00—Assemblies of two or more burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00—Regulating fuel supply
    • F23N1/02—Regulating fuel supply conjointly with air supply
    • F23N1/025—Regulating fuel supply conjointly with air supply using electrical or electromechanical means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/00017—Assembled burner modules
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2237/00—Controlling
    • F23N2237/10—High or low fire

Definitions

  • the invention relates to a gas blower burner with modulable burner power for a gas heater according to the preamble of claim 1, a method of operating a gas blower burner according to the preambles of claim 8 and a gas heater according to claim 11.
  • Gas fan burners with modulable burner performance are well known. They are usually used to heat a heating fluid such as heating water or drinking water in a gas heater. In this case, combustion air is supplied to the burner via an air path and fuel gas via a gas path. The amount of air required for heating a Schufluidstroms is conveyed in accordance with the predetermined burner capacity or the predetermined Schufluidtemperatur means of a variable speed air blower in the air. The amount of gas corresponding to this amount of air is metered in the gas path with the aid of a gas valve. Air and fuel gas mix to a fuel gas-air mixture. For complete and low-emission combustion of the fuel gas, among other factors, a specific target composition of the fuel gas-air mixture is necessary.
  • the aim is an excess of air (air ratio) ⁇ SOLL ⁇ 1.3 compared to the stoichiometric minimum air requirement required for complete oxidation of the fuel.
  • a so-called pneumatic gas air composite causes this mixture composition.
  • An air flow meter arranged in the air measures the amount of the delivered amount of combustion air and gives an actuating signal to the gas valve, which releases a fuel gas amount corresponding to the desired composition of the fuel gas-air mixture.
  • the fuel gas-air mixture passes through a burner surface, which has the function of a flame holder in a combustion chamber, is ignited here by means of an igniter and burns with the release of heat. The heat of combustion is transferred in a heat exchanger to the heating fluid and this supplied to the use.
  • a Venturi nozzle For the air flow measurement in the pneumatic gas air network, a Venturi nozzle is usually used because of the low pressure loss.
  • the pressure difference between the inlet cross-section and the narrowest nozzle cross-section of the Venturi nozzle, which is proportional to the air volume flow, is measured, which acts as a control signal on a pneumatic gas control valve.
  • Known devices for mixing fuel gas and air of the aforementioned type are capable of realizing throughput variations in a range of about 1: 5 (corresponding to a pressure variation of about 1:25), since the available pressure range on the one hand by the blower and on the other hand is limited by the required minimum response pressure of the pneumatic control valve.
  • the limitation of the range variation range is accompanied by a similar limitation of the burner power range of a burner and the Schutsch.modulations Kunststoffs a gas heater.
  • Modern gas heaters with correspondingly modern gas jet burners have a comparatively low air ratio of ⁇ ⁇ 1.3 compared to previously customary burners.
  • the Wasserdampftauddlingtemperatur an exhaust gas depends on the air ratio of the combustion: With decreasing air ratio increases the dew point temperature. This results in a potential problem in the operation of modern gas heaters, namely the condensation of moisture contained in the exhaust gas to the cool combustion chamber walls and the cool surfaces of heat exchanger and exhaust pipe. This condensation is only allowed (and desirable) on condensing boilers since the components are designed accordingly. For conventional calorifiers, condensation must be avoided, otherwise moisture affected components could corrode and fail.
  • a tendency to condensation is also favored by the device heating power or temperature. On surfaces of high temperature (high heat output) either no moisture precipitates or it can dry quickly. At low surface temperatures (low heat output), the dew point temperature tends to fall below and there is precipitation of moisture.
  • thermoacoustic resonances Another potential problem in heater operation are so-called thermoacoustic resonances, which can lead to excessive noise pollution and, due to the accompanying mechanical vibrations, also to component failure. Often, the resonance phenomena occur especially at low relative burner powers and low combustion chamber pressures.
  • an increase in the heating power range of a gas heater or an increase in the burner output range of a burner is desirable in order to be able to serve very different heating requirements, such as, for example, a domestic hot water tap for washing hands, a tapping process for inserting a bath or caused by heating an apartment.
  • very different heating requirements such as, for example, a domestic hot water tap for washing hands, a tapping process for inserting a bath or caused by heating an apartment.
  • the invention is therefore based on the object to provide a gas blower burner with an extended burner power range as well as a method for its operation, which help avoid the water vapor condensation on Abgasbehot components and thermoacoustic resonance phenomena.
  • the burner should have a simple and compact design.
  • the gas blower burner according to the invention with modulable burner power for a gas heater with at least one air path for fan-assisted supply of combustion air, at least one gas path for supplying a fuel gas, a gas valve for quantity control of the fuel gas, at least one burner surface as a flame holder and at least one upstream of the burner surface arranged distribution space in the the combustion air and the fuel gas or a fuel gas-air mixture open, wherein the burner surface and the distribution chamber are divided into at least two areas, wherein a first burner surface area is associated with a first distribution space and a second burner surface area is associated with a second distribution space area, and wherein the gas path at a branch downstream of the gas valve and upstream of the distribution space is divided into at least two partial gas paths, each with an associated region of the distribution space in Verbin standing.
  • the distribution space is structured by means of one or more at least partially permeable partition walls in at least two areas.
  • the burner now has a burner surface which is split twice or several times and which can be supplied with fuel gas via the at least two partial gas paths and the at least two distribution chamber regions by means of a single gas valve.
  • An overflow of combustion air or fuel gas-air mixture from a distribution area in an adjacent distribution area is possible.
  • This permeability may be given in only one flow direction while a return flow is blocked, or the permeability may be given in both directions.
  • a suitable embodiment is characterized in that the branch in the gas path is dominated by a switchable two-way valve or multi-way valve.
  • the fuel gas supply of the burner surface areas can be changed by means of a switching operation.
  • each burner surface area can be controlled individually and supplied with fuel gas, or several burner surface areas can be supplied simultaneously.
  • a further embodiment is characterized in that at least a first partial gas path is in direct communication with an associated first region of the distribution space, and that at least one second partial gas path is in indirect communication with an associated second region of the distribution chamber, this second partial gas path being in one with the Distribution room connected airway opens.
  • a suitable embodiment is characterized in that the partial gas paths each have separately predeterminable flow resistances. This can be e.g. reach through different path lengths, line diameter and fixed or adjustable throttle cross-sections. This ensures that with the help of a single gas control valve and despite the same control signal ranges from the air flow meter on the different partial gas paths different sized amounts of fuel gas can be metered.
  • An embodiment is characterized in that a fan is arranged in the air path, wherein the air path opens downstream into at least one region of the distribution space.
  • the burner surface may be formed as a perforated surface, for example as a perforated plate or wire mesh.
  • the perforation can be the same or at least partially different over the different areas of the burner surface.
  • a suitable embodiment is characterized in that at least one perforated distributor plate is arranged upstream of the burner surface in the distribution space divided according to the structure of the distribution space in at least two areas, and that the perforations of the areas of the distributor plate are at least partially formed differently.
  • the distributor plate improves in a known manner the uniform distribution of a combustion air flow or a fuel gas-air mixture flow on the burner surface or the burner surface areas. Due to the different perforations of the distributor plate areas, different flow resistances can be realized.
  • the fuel gas can be supplied to two different burner surface areas and thus cover a low and a high burner power range.
  • a suitable embodiment of the method for operating a gas blower burner with modulable burner power is defined in claim 10.
  • the low burner power range covers the range between 4% and 20% of the rated burner output
  • the high burner power range covers the range between 20% and 100% of the rated burner output.
  • the procedure for mixture formation is different for these two burner power ranges.
  • the fuel gas flows through a first partial gas path directly and unmixed to a first distribution space area, at the same time the combustion space also flows combustion air.
  • the first distribution area fuel gas and combustion air mix to form a fuel gas-air mixture. This exits through the burner area assigned to the first distribution area, is ignited and burnt.
  • the fuel gas flows through a second Operagasweg to the airway and mixes with combustion air to a fuel gas-air mixture. The mixture is supplied to the distribution space, exits through the burner surface, is ignited and burned.
  • the inventive method allows a burner operation with extended modulation range and reduced tendency to water vapor condensation and thermoacoustic resonance phenomena.
  • the burner according to the invention offers a simple and compact structure with which the method can be implemented.
  • FIG. 1 shows a Gasgebläsebrenner invention for a gas heater with a combustion air inlet 1, an airway 2, an air flow meter 3, a fan 4, a fuel gas inlet 5, a gas path 6, a gas valve 7, a mixture forming section (mixing chamber) 8, a distribution chamber 9 and a burner surface 10th
  • a gas jet burner is the subdivision of the distribution space 9 and burner surface 10 in each case two areas 9-1 and 9-2 and 10-1 and 10-2, which are assigned to each other accordingly (9-1 / 10-1 and 9-2 / 10-2), wherein the distribution space 9 is divided into two by means of a permeable intermediate wall 11. Upstream of the burner surface 10 in the distribution space 9, a distributor plate 12 is provided.
  • Partial gas path 6-1 communicates with the distribution area 9-1 and the burner area 10-1.
  • Partial gas path 6-2 communicates via the air path 2 and the mixture formation section 8 with the distribution space region 9-2 and the burner surface region 10-2. Is shown in FIG. 1 an operation in the high burner power range, the combustion air, fuel gas and mixed streams are illustrated by arrows.
  • a schematically illustrated switchable two-way valve 13 is arranged. This releases the fuel gas flow in the direction of the partial gas path 6-2, the other path 6-1 is blocked.
  • the fuel gas flows into the airway 2, is sucked together with the combustion air from the fan 4, mixes with the combustion air in the airway 2, in the fan 4 and in the mixture formation section 8 to a fuel gas-air mixture.
  • the mixture enters the second area 9-2 of the distribution space 9 and flows partly through the permeable partition 11 into the first distribution area 9-1.
  • the permeable distributor plate 12 smoothes the mixture flow and distributes it to the two permeable burner surface regions 10-1 and 10-2.
  • the fuel gas-air mixture is ignited by means of an igniter, not shown, forms flames 14 and burns with heat.
  • the heat is arranged in a downstream of the burner, not shown here heat exchanger transferred to a heating fluid and fed to the use.
  • FIG. 2 an operation of the gas blower burner is shown in the low burner power range, wherein the combustion air, fuel gas and mixed streams are again illustrated by arrows.
  • the two-way valve 13 releases the fuel gas flow in the direction of the partial gas path 6-1, the other path 6-2 is blocked.
  • the fuel gas flows through the partial gas path 6-1 in the distribution area 9-1.
  • a fuel gas distributor 6-3 serves the uniform distribution of the fuel gas in the distribution area 9-1.
  • Combustion air is sucked in by the blower 4 via the air inlet 1 and the air path 2.
  • the air enters the second region 9-2 of the distribution chamber 9 and flows partly through a second region 12-2 of the distributor plate 12 and through the second burner surface region 10-2 into the combustion chamber.
  • Another part of the combustion air flows through the permeable partition wall 11 further into the first distribution area 9-1.
  • mixed the air with the fuel gas to a fuel gas-air mixture, wherein the fuel gas distribution device 6-3 is lapped with air, and flows through a first Verteilerplatten Scheme 12-1 and through the first burner surface area 10-1 in the combustion chamber.
  • the fuel gas-air mixture is ignited again, forming flames 14 and burns with heat.
  • the heat is arranged in a downstream of the burner, not shown here heat exchanger transferred to a heating fluid and fed to the use.
  • the gas blower burner can modulate (vary) burner output in both burner power ranges.
  • the low burner power range covers the range between 4% and 20% of the rated burner output
  • the high burner power range covers the range between 20% and 100% of the rated burner output.
  • the burner thus has a modulation ratio of 1:25, the fan 4 and the gas control valve 7 have to modulate but only in the ratio 1: 5.
  • the flow resistance in the partial gas path 6-1 is greater than that in the partial gas path 6-2.
  • the gas valve 7 is on the Generalgasweg 6-1 a smaller amount of fuel gas than via the Operagasweg 6-2.
  • the gas control valve 7 works together with the air flow meter 3, for example in a pneumatic composite gas air circulation.
  • the delivered air volume is used in the high burner power range completely as combustion air for the fuel gas-air mixture formation.
  • In the low burner power range only a part of the air serves as combustion air for the fuel gas-air mixture formation; another part is unmixed with fuel gas from the burner surface and does not participate in the combustion.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Gasgebläsebrenner mit modulierbarer Brennerleistung für ein Gasheizgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, ein Verfahren zum Betreiben eines Gasgebläsebrenners nach den Oberbegriffen des Patentanspruchs 8 sowie ein Gasheizgerät nach Patentanspruch 11.
  • Gasgebläsebrenner mit modulierbarer Brennerleistung (Feuerungsleistung) sind allgemein bekannt. Sie dienen in der Regel der Erwärmung eines Heizfluides wie z.B. Heizungswasser oder Trinkwasser in einem Gasheizgerät. Dabei werden dem Brenner über einen Luftweg Verbrennungsluft und über einen Gasweg Brenngas zugeführt. Die zur Erwärmung eines Heizfluidstroms erforderliche Luftmenge wird entsprechend der vorgebbaren Brennerleistung bzw. der vorgebbaren Heizfluidtemperatur mittels eines drehzahlvariablen Luftgebläses im Luftweg gefördert. Die dieser Luftmenge entsprechende Gasmenge wird mit Hilfe eines Gasventils im Gasweg dosiert. Luft und Brenngas mischen sich zu einem Brenngas-Luft-Gemisch. Zur vollständigen und schadstoffarmen Verbrennung des Brenngases ist neben anderen Faktoren eine bestimmte SOLL-Zusammensetzung des Brenngas-Luft-Gemischs nötig. Angestrebt wird ein Luftüberschuss (Luftzahl) λSOLL ≈ 1,3 gegenüber dem zur vollständigen Oxidation des Brennstoffs erforderlichen stöchiometrischen Mindestluftbedarf. Ein sogenannter pneumatischer Gasluftverbund bewirkt diese Gemischzusammensetzung. Ein im Luftweg angeordneter Luftmengenmesser misst die Menge der geförderten Verbrennungsluftmenge und gibt ein Stellsignal an das Gasventil, das eine der SOLL-Zusammensetzung des Brenngas-Luft-Gemischs entsprechende Brenngasmenge freigibt.
  • In einer Gemischbildungsstrecke (Mischraum) mischen sich Verbrennungsluft und Brenngas, ein Verteilraum dient der etwa gleichmäßigen Verteilung der Brenngas-Luft-Gemischmenge auf den Austrittsquerschnitt. Das Brenngas-Luft-Gemisch tritt durch eine Brennerfläche, die die Funktion eines Flammhalters hat, in einen Brennraum aus, wird hier mittels einer Zündvorrichtung gezündet und verbrennt unter Freisetzung von Wärme. Die Verbrennungswärme wird in einem Wärmetauscher auf das Heizfluid übertragen und dieses der Nutzung zugeführt.
  • Für die Luftmengenmessung im pneumatischen Gasluftverbund wird wegen des geringen Druckverlusts in der Regel eine Venturidüse verwendet. Gemessen wird die dem Luftvolumenstrom proportionale Druckdifferenz zwischen Eingangsquerschnitt und engstem Düsenquerschnitt der Venturidüse, die als Stellsignal auf ein pneumatisches Gasregelventil geht. Zwischen der Durchsatzvariation und dem Differenzdrucksignal besteht ein quadratischer Zusammenhang. Bekannte Vorrichtungen zum Mischen von Brenngas und Luft der vorgenannten Art sind in der Lage, Durchsatzvariationen in einem Bereich von etwa 1 : 5 (entsprechend einer Druckvariation von etwa 1 : 25) zu realisieren, da der zur Verfügung stehende Druckbereich einerseits durch das Gebläse und andererseits durch den erforderlichen minimalen Ansprechdruck des pneumatischen Regelventils begrenzt wird. Mit der Beschränkung des Durchsatzvariationsbereichs geht eine ebensolche Beschränkung des Brennerleistungsbereichs eines Brenners sowie des Heizleistungsmodulationsbereichs eines Gasheizgerätes einher.
  • Moderne Gasheizgeräte mit entsprechend modernen Gasgebläsebrennern weisen gegenüber früher üblichen Brennern eine vergleichsweise niedrige Luftzahl von λ ≈ 1,3 auf. Beispielsweise offenbart die WO2006019279 A1 einen Gasgebläsebrenner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Wasserdampftaupunkttemperatur eines Abgases hängt von der Luftzahl der Verbrennung ab: Mit sinkender Luftzahl steigt die Taupunkttemperatur. Daraus ergibt sich ein mögliches Problem beim Betrieb moderner Gasheizgeräte, nämlich die Kondensation von im Abgas enthaltener Feuchtigkeit an den kühlen Brennraumwänden und den kühlen Oberflächen von Wärmetauscher und Abgasleitung. Diese Kondensation ist nur bei Brennwertgeräten zulässig (und erwünscht), da die Bauteile daraufhin ausgelegt sind. Bei herkömmlichen Heizwertgeräten muss die Kondensation vermieden werden, ansonsten könnten von der Feuchtigkeit betroffene Bauteile korrodieren und ausfallen. Begünstigt wird eine Kondensationsneigung auch von der Geräteheizleistung bzw. -temperatur. Auf Oberflächen hoher Temperatur (hohe Heizleistung) schlägt sich entweder keine Feuchtigkeit nieder oder sie kann schnell wieder abtrocknen. Bei niedrigen Oberflächentemperaturen (geringe Heizleistung) wird die Taupunkttemperatur eher unterschritten und es kommt zum Niederschlag von Feuchtigkeit.
  • Ein anderes potentielles Problem beim Heizgerätebetrieb sind sogenannte thermoakustische Resonanzen, die zu starker Lärmbelästigung und, durch die einhergehenden mechanischen Schwingungen, auch zu Bauteilversagen führen können. Oft treten die Resonanzerscheinungen gerade bei geringen relativen Brennerleistungen und geringen Brennkammdrücken auf.
  • Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass eine Vergrößerung des Heizleistungsbereichs eines Gasheizgerätes bzw. eine Vergrößerung des Brennerleistungsbereich eines Brenners wünschenswert ist, um ganz verschiedene Heizbedarfe bedienen zu können, wie sie beispielsweise durch einen Trinkwarmwasser-Zapfvorgang zum Händewaschen, durch einen Zapfvorgang zum Einlassen eines Wannenbades oder durch ein Beheizen einer Wohnung entstehen. Dennoch müssen auch bei den verschiedenen möglichen Betriebspunkten die Wasserdampfkondensation aus dem Abgas sowie thermoakustische Resonanzerscheinungen vermieden werden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Gasgebläsebrenner mit einem erweiterten Brennerleistungsbereich sowie ein Verfahren zu seinem Betrieb zu schaffen, die die Wasserdampfkondensation an Abgasberührten Bauteilen sowie thermoakustische Resonanzerscheinungen vermeiden helfen. Der Brenner soll dabei einen möglichst einfachen und kompakten Aufbau aufweisen.
  • Erfindungsgemäß wird dies durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Der erfindungsgemäße Gasgebläsebrenner mit modulierbarer Brennerleistung für ein Gasheizgerät mit mindestens einem Luftweg zur gebläseunterstützten Zuführung einer Verbrennungsluft, mindestens einem Gasweg zur Zuführung eines Brenngases, einem Gasventil zur Mengenregulierung des Brenngases, mindestens einer Brennerfläche als Flammhalter und mindestens einem stromaufwärts der Brennerfläche angeordneten Verteilraum, in den die Verbrennungsluft und das Brenngas oder ein Brenngas-Luft-Gemisch münden, wobei die Brennerfläche und der Verteilraum sich in mindestens zwei Bereiche gliedern, wobei ein erster Brennerflächenbereich einem ersten Verteilraumbereich zugeordnet ist und ein zweiter Brennerflächenbereich einem zweiten Verteilraumbereich zugeordnet ist, und wobei der Gasweg an einer Verzweigung stromabwärts des Gasventils und stromaufwärts des Verteilraums sich in mindestens zwei Teilgaswege aufteilt, die jeweils mit einem zugeordneten Bereich des Verteilraums in Verbindung stehen. Dabei ist der Verteilraum mittels einer oder mehrerer mindestens teilweise durchlässiger Zwischenwände in mindestens zwei Bereiche gegliedert. Mit dieser Gestaltung weist der Brenner nun eine zwei- oder mehrfach geteilte Brennerfläche auf, die über die mindestens zwei Teilgaswege und die mindestens zwei Verteilraumbereiche mittels eines einzigen Gasventils mit Brenngas versorgbar sind. Ein Überströmen von Verbrennungsluft oder Brenngas-Luft-Gemisch von einem Verteilraumbereich in einen benachbarten Verteilraumbereich ist möglich. Diese Durchlässigkeit kann in nur einer Strömungsrichtung gegeben sein, während eine Rückströmung gesperrt ist, oder die Durchlässigkeit kann in beiden Richtungen gegeben sein.
  • Eine geeignete Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verzweigung im Gasweg von einem schaltbaren Zweiwegeventil oder Mehrwegeventil beherrscht ist. Damit kann die Brenngasversorgung der Brennerflächenbereiche mittels eines Schaltvorgangs verändert werden. Beispielsweise kann jeder Brennerflächenbereich einzeln angesteuert und mit Brenngas versorgt werden, oder es können mehrere Brennerflächenbereiche gleichzeitig versorgt werden.
  • Eine weitere Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erster Teilgasweg in direkter Verbindung mit einem zugeordneten ersten Bereich des Verteilraums steht, und dass mindestens ein zweiter Teilgasweg in indirekter Verbindung mit einem zugeordneten zweiten Bereich des Verteilraums steht, wobei dieser zweite Teilgasweg in einen mit dem Verteilraum verbundenen Luftweg mündet.
  • Eine geeignete Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Teilgaswege jeweils getrennt vorgebbare Strömungswiderstände aufweisen. Dies lässt sich z.B. durch unterschiedliche Weglängen, Leitungsdurchmesser sowie fixe oder einstellbare Drosselquerschnitte erreichen. Damit wird erreicht, dass mit Hilfe eines einzigen Gasregelventils und trotz gleicher Stellsignalbereiche seitens des Luftmengenmessers über die verschiedenen Teilgaswege unterschiedlich große Brenngasmengen dosierbar sind.
  • Eine Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, dass im Luftweg ein Gebläse angeordnet ist, wobei der Luftweg stromabwärts in mindestens einen Bereich des Verteilraums mündet.
  • Die Brennerfläche kann als perforierte Fläche ausgebildet sein, beispielsweise als Lochblech oder Drahtgeflecht. Die Perforation kann über die verschiedenen Bereiche der Brennerfläche gleich oder mindestens teilweise verschieden ausgebildet sein. Durch wechselnde Lochgrößen, Lochformen, Lochabstände, Geflechtporengrößen, Geflechtdichten usw. in der Brennerfläche lassen sich unterschiedliche Strömungswiderstände realisieren.
  • Eine geeignete Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Brennerfläche im Verteilraum mindestens eine perforierte Verteilerplatte angeordnet ist, die sich entsprechend der Gliederung des Verteilraums in mindestens zwei Bereiche gliedert, und dass die Perforationen der Bereiche der Verteilerplatte mindestens teilweise verschieden ausgebildet sind. Die Verteilerplatte verbessert in bekannter Weise die gleichmäßige Verteilung eines Verbrennungsluftstroms oder eines Brenngas-Luft-Gemischstroms auf die Brennerfläche bzw. die Brennerflächenbereiche. Durch die unterschiedliche Perforation der Verteilerplattenbereiche lassen sich unterschiedliche Strömungswiderstände realisieren.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Gasgebläsebrenners mit modulierbarer Brennerleistung, wobei ein Brenngas bei Betrieb in einem ersten Brennerleistungsbereich, beispielsweise einem niedrigen Brennerleistungsbereich, direkt zu einem ersten Bereich einer als Flammhalter fungierenden Brennerfläche strömt, sich hier mit Verbrennungsluft zu einem Brenngas-Luft-Gemisch vermischt und sodann der Verbrennung zugeführt wird, und bei Betrieb in einem zweiten Brennerleistungsbereich, beispielsweise einem hohen Brennerleistungsbereich, das Brenngas über einen Luft führenden Luftweg zu einer Gemischbildungsstrecke (Mischraum) strömt, von wo es als Brenngas-Luft-Gemisch weiter zu einem zweiten Bereich der Brennerfläche strömt und sodann der Verbrennung zugeführt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Betreiben eines Gasgebläsebrenners im Bereich niedriger Brennerleistung die vom Gebläse angesaugte Verbrennungsluft in einen zweiten Bereich des Verteilraums gefördert wird und von dort
    • teilweise durch die dem zweiten Bereich des Verteilraums zugeordnete Brennerfläche in den Brennraum ausströmt, wobei dieser Teil der Verbrennungsluft als Sekundärluft im Wesentlichen nicht an der Verbrennung teilnimmt, und
    • teilweise durch durchlässige Zwischenwände, die den Verteilraum in Bereiche untergliedern, in einen ersten Bereich des Verteilraums überströmt, sich hier als Primärluft mit dem Brenngas mischt, als Brenngas-Luft-Gemisch durch die dem ersten Bereich des Verteilraums zugeordnete Brennerfläche in den Brennraum ausströmt und der Verbrennung zugeführt wird.
  • Mit dieser Erfindung kann das Brenngas zwei verschiedenen Brennerflächenbereichen zugeleitet werden und damit einen niedrigen und einen hohen Brennerleistungsbereich abdecken.
  • Das Brenngas-Luft-Gemisch im ersten Verteilraumbereich ist so beschaffen, dass sich eine Luftzahl von λ ≈ 1,3 ergibt. Das garantiert eine vollständige und schadstoffarme Verbrennung an dem ersten Brennerflächenbereich. Durch den zweiten Brennerflächenbereich strömt Sekundärluft aus, die sich mit dem Abgas aus der Verbrennung mischt und die resultierende Luftzahl im Abgas auf beispielsweise λ = 1,5 anhebt. Dadurch wird die Taupunkttemperatur gesenkt und die Kondensationsneigung reduziert. Die Oberflächen von Brennkammer, Wärmetauscher und Abgassystem bleiben trocken, woduch Korrosionsschäden vermieden werden. Die einströmende Sekundärluft erhöht auch den Gegendruck in der Brennkammer, wodurch die Anfälligkeit des Systems gegenüber thermoaktustischen Resonanzerscheinungen stark gemindert wird.
  • Bei einer konkreten Ausgestaltung des Verfahrens zum Betreiben eines Gasgebläsebrenners im Bereich hoher Brennerleistung wird das Brenngas-Luft-Gemisch, das sich im Luftweg und einer Gemischbildungsstrecke (Mischraum) aus Brenngas und Verbrennungsluft gebildet hat, in einen zweiten Bereich des Verteilraums gefördert und strömt von dort
    • teilweise durch die dem zweiten Bereich des Verteilraums zugeordnete Brennerfläche in den Brennraum aus und
    • teilweise durch durchlässige Zwischenwände, die den Verteilraum in Bereiche untergliedern, in den ersten Bereich des Verteilraums über und strömt durch die dem ersten Bereich des Verteilraums zugeordnete Brennerfläche in den Brennraum aus.
  • Im Brennraum werden beide Teilgemischströme gezündet und verbrannt.
  • Eine geeignete Ausführung des Verfahrens zum Betreiben eines Gasgebläsebrenners mit modulierbarer Brennerleistung ist in Anspruch 10 definiert.
  • Der niedrige Brennerleistungsbereich deckt beispielsweise den Bereich zwischen 4 % und 20 % der Brenner-Nennleistung ab, der hohe Brennerleistungsbereich deckt den Bereich zwischen 20 % und 100 % der Brenner-Nennleistung ab. Das Vorgehen zur Gemischbildung ist bei diesen beiden Brennerleistungsbereichen verschieden. Bei Betrieb im ersten Leistungsbereich strömt das Brenngas durch einen ersten Teilgasweg direkt und unvermischt zu einem ersten Verteilraumbereich, gleichzeitig strömt dem Verteilraum auch Verbrennungsluft zu. Im ersten Verteilraumbereich vermischen sich Brenngas und Verbrennungsluft zu einem Brenngas-Luft-Gemisch. Dieses tritt durch die dem ersten Verteilraumbereich zugeordnete Brennerfläche aus, wird gezündet und verbrannt. Bei Betrieb im zweiten Leistungsbereich strömt das Brenngas durch einen zweiten Teilgasweg zum Luftweg und vermischt sich mit Verbrennungsluft zu einem Brenngas-Luft-Gemisch. Das Gemisch wird dem Verteilraum zugeführt, tritt durch die Brennerfläche aus, wird gezündet und verbrannt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen Brennerbetrieb mit erweitertem Modulationsbereich sowie reduzierter Neigung zu Wasserdampfkondensation und thermoakustischen Resonanzerscheinungen. Der erfindungsgemäße Brenner bietet einen einfachen und kompakten Aufbau, mit dem sich das Verfahren umsetzen lässt.
  • Die Zeichnung stellt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und zeigt in den Figuren:
    • Figur 1
    einen Gasgebläsebrenner in Betrieb im hohen Brennerleistungsbereich und
    Figur 2
    einen Gasgebläsebrenner in Betrieb im niedrigen Brennerleistungsbereich.
  • Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Gasgebläsebrenner für ein Gasheizgerät mit einem Verbrennungslufteintritt 1, einem Luftweg 2, einem Luftmengenmesser 3, einem Gebläse 4, einem Brenngaseintritt 5, einem Gasweg 6, einem Gasventil 7, einer Gemischbildungsstrecke (Mischraum) 8, einem Verteilraum 9 und einer Brennerfläche 10. Hervorzuheben gegenüber bekannten Gasgebläsebrennern ist die Untergliederung von Verteilraum 9 und Brennerfläche 10 in jeweils zwei Bereiche 9-1 und 9-2 sowie 10-1 und 10-2, die einander entsprechend zugeordnet sind (9-1/10-1 und 9-2/10-2), wobei der Verteilraum 9 mittels einer durchlässigen Zwischenwand 11 zweigeteilt ist. Stromaufwärts der Brennerfläche 10 im Verteilraum 9 ist eine Verteilerplatte 12 vorgesehen. Hervorzuheben ist ferner die Verzweigung des Gasweges 6 in zwei Teilgaswege 6-1 und 6-2. Teilgasweg 6-1 steht mit dem Verteilraumbereich 9-1 und dem Brennerflächenbereich 10-1 in Verbindung. Teilgasweg 6-2 steht über den Luftweg 2 und die Gemischbildungsstrecke 8 mit dem Verteilraumbereich 9-2 und dem Brennerflächenbereich 10-2 in Verbindung. Dargestellt ist in Figur 1 ein Betrieb im hohen Brennerleistungsbereich, wobei die Verbrennungsluft-, Brenngas- und Gemischströme durch Pfeile veranschaulicht sind. An der Verzweigung des Gasweges 6 ist ein hier schematisch dargestelltes schaltbares Zweiwegeventil 13 angeordnet. Dieses gibt den Brenngasstrom in Richtung des Teilgasweges 6-2 frei, der andere Weg 6-1 ist gesperrt. Das Brenngas strömt in den Luftweg 2, wird zusammen mit der Verbrennungsluft vom Gebläse 4 angesaugt, mischt sich mit der Verbrennungsluft im Luftweg 2, im Gebläse 4 und in der Gemischbildungsstrecke 8 zu einem Brenngas-Luft-Gemisch. Das Gemisch tritt in den zweiten Bereich 9-2 des Verteilraums 9 ein und strömt teilweise durch die durchlässige Zwischenwand 11 weiter in den ersten Verteilraumbereich 9-1. Die durchlässige Verteilerplatte 12 vergleichmäßigt die Gemischströmung und verteilt sie auf die beiden durchlässigen Brennerflächenbereiche 10-1 und 10-2. Das Brenngas-Luft-Gemisch wird mittels einer nicht dargestellten Zündvorrichtung gezündet, bildet Flammen 14 und verbrennt unter Wärmeentwicklung. Die Wärme wird in einem stromabwärts des Brenners angeordneten, hier nicht dargestellten Wärmetauscher auf ein Heizfluid übertragen und der Nutzung zugeführt.
  • In Figur 2 ist ein Betrieb des Gasgebläsebrenners im niedrigen Brennerleistungsbereich dargestellt, wobei die Verbrennungsluft-, Brenngas- und Gemischströme wieder durch Pfeile veranschaulicht sind. Das Zweiwegeventil 13 gibt den Brenngasstrom in Richtung des Teilgasweges 6-1 frei, der andere Weg 6-2 ist gesperrt. Das Brenngas strömt durch den Teilgasweg 6-1 in Verteilraumbereich 9-1. Dabei dient eine Brenngas-Verteilvorrichtung 6-3 der gleichmäßigen Verteilung des Brenngases im Verteilraumbereich 9-1. Über den Lufteintritt 1 und den Luftweg 2 wird Verbrennungsluft vom Gebläse 4 angesaugt. Die Luft tritt in den zweiten Bereich 9-2 des Verteilraums 9 ein und strömt teilweise durch einen zweiten Bereich 12-2 der Verteilerplatte 12 und durch den zweiten Brennerflächenbereich 10-2 in den Brennraum. Ein anderer Teil der Verbrennungsluft strömt durch die durchlässige Zwischenwand 11 weiter in den ersten Verteilraumbereich 9-1. Hier vermischt sich die Luft mit dem Brenngas zu einem Brenngas-Luft-Gemisch, wobei die Brenngas-Verteilvorrichtung 6-3 mit Luft umspült wird, und strömt durch einen ersten Verteilerplattenbereich 12-1 und durch den ersten Brennerflächenbereich 10-1 in den Brennraum. Hier wird das Brenngas-Luft-Gemisch wiederum gezündet, bildet Flammen 14 und verbrennt unter Wärmeentwicklung. Die Wärme wird in einem stromabwärts des Brenners angeordneten, hier nicht dargestellten Wärmetauscher auf ein Heizfluid übertragen und der Nutzung zugeführt.
  • Der Gasgebläsebrenner kann in beiden Brennerleistungsbereichen die Brennerleistung modulieren (variieren). Der niedrige Brennerleistungsbereich deckt beispielsweise den Bereich zwischen 4 % und 20 % der Brenner-Nennleistung ab, der hohe Brennerleistungsbereich deckt den Bereich zwischen 20 % und 100 % der Brenner-Nennleistung ab. Obwohl der Brenner damit ein Modulationsverhältnis von 1 : 25 hat, müssen das Gebläse 4 und das Gasregelventil 7 dazu aber nur im Verhältnis 1 : 5 modulieren. Das ist möglich, weil dem Brenngasstrom auf den beiden Teilgaswegen 6-1 und 6-2, gegebenenfalls auch in den Verteilerplattenbereichen 12-1 und 12-2 und/oder in den Brennerflächenbereichen 10-1 und 10-2, unterschiedlich große Strömungswiderstände entgegenstehen. Der Strömungswiderstand im Teilgasweg 6-1 ist größer als der im Teilgasweg 6-2. Diese Strömungswiderstände sind fix vorgegeben oder während des Brennerbetriebs veränderbar. Bei gleicher Ventilöffnung gibt das Gasventil 7 über den Teilgasweg 6-1 eine geringere Brenngasmenge ab als über den Teilgasweg 6-2. Somit ist ein Betreiben des Gasgebläsebrenners in einem niedrigen und einem hohen Brennerleistungsbereich mit nur einem herkömmlichen Gasregelventil 7 und einem herkömmlichen Gebläse 4 möglich. Das Gasregelventil 7 arbeitet zusammen mit dem Luftmengenmesser 3 beispielsweise in einer pneumatischen Gasluftverbundregelung. Die geförderte Luftmenge dient im hohen Brennerleistungsbereich vollständig als Verbrennungsluft für die Brenngas-Luft-Gemischbildung. Im niedrigen Brennerleistungsbereich dient nur ein Teil der Luft als Verbrennungsluft für die Brenngas-Luft-Gemischbildung; ein anderer Teil tritt unvermischt mit Brenngas aus der Brennerfläche aus und nimmt nicht an der Verbrennung teil.

Claims (11)

  1. Gasgebläsebrenner mit modulierbarer Brennerleistung für ein Gasheizgerät mit
    • mindestens einem Luftweg (2) zur gebläseunterstützten Zuführung einer Verbrennungsluft,
    • mindestens einem Gasweg (6) zur Zuführung eines Brenngases,
    • einem Gasventil (7) zur Mengenregulierung des Brenngases,
    • mindestens einer Brennerfläche (10) als Flammhalter und
    • mindestens einem stromaufwärts der Brennerfläche angeordneten Verteilraum (9), in den die Verbrennungsluft und das Brenngas oder ein Brenngas-Luft-Gemisch münden, wobei
    • die Brennerfläche (10) und der Verteilraum (9) sich in mindestens zwei Bereiche gliedern, wobei ein erster Brennerflächenbereich (10-1) einem ersten Verteilraumbereich (9-1) zugeordnet ist und ein zweiter Brennerflächenbereich (10-2) einem zweiten Verteilraumbereich (9-2) zugeordnet ist, und wobei
    • der Gasweg (6) an einer Verzweigung stromabwärts des Gasventils (7) und stromaufwärts des Verteilraums (9) sich in mindestens zwei Teilgaswege (6-1, 6-2) aufteilt, die jeweils mit einem zugeordneten Bereich (9-1, 9-2) des Verteilraums (9) in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet,

    dass der Verteilraum (9) mittels einer oder mehrerer mindestens teilweise durchlässiger Zwischenwände (11) sich in die mindestens zwei Bereiche (9-1, 9-2) gliedert.
  2. Gasgebläsebrenner nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Verzweigung im Gasweg (6) von einem schaltbaren Zweiwegeventil (13) oder Mehrwegeventil (13) beherrscht ist.
  3. Gasgebläsebrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
    • dass mindestens ein erster Teilgasweg (6-1) in direkter Verbindung mit einem zugeordneten ersten Bereich (9-1) des Verteilraums (9) steht, und
    • dass mindestens ein zweiter Teilgasweg (6-2) in indirekter Verbindung mit einem zugeordneten zweiten Bereich (9-2) des Verteilraums (9) steht, wobei dieser zweite Teilgasweg (6-2) in einen mit dem Verteilraum (9) verbundenen Luftweg (2) mündet.
  4. Gasgebläsebrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Teilgaswege (6-1, 6-2) jeweils getrennt vorgebbare Strömungswiderstände aufweisen.
  5. Gasgebläsebrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass im Luftweg (2) ein Gebläse (4) angeordnet ist, wobei der Luftweg (2) stromabwärts in mindestens einen Bereich des Verteilraums (9) mündet.
  6. Gasgebläsebrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerfläche (10) perforiert ist und dass die Perforationen der mindestens zwei Bereiche (10-1, 10-2) der Brennerfläche (10) mindestens teilweise verschieden ausgebildet sind.
  7. Gasgebläsebrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Brennerfläche (10) im Verteilraum (9) mindestens eine perforierte Verteilerplatte (12) angeordnet ist, die sich entsprechend der Gliederung des Verteilraums (9) in mindestens zwei Bereiche (12-1, 12-2) gliedert, und dass die Perforationen der Bereiche (12-1, 12-2) der Verteilerplatte (12) mindestens teilweise verschieden ausgebildet sind.
  8. Verfahren zum Betreiben eines Gasgebläsebrenners mit modulierbarer Brennerleistung nach Anspruch 1, wobei ein Brenngas
    • bei Betrieb in einem ersten Brennerleistungsbereich direkt zu mindestens einem ersten Bereich (10-1) einer als Flammhalter fungierenden Brennerfläche (10) strömt und sich hier mit Verbrennungsluft zu einem Brenngas-Luft-Gemisch vermischt und
    • bei Betrieb in einem zweiten Brennerleistungsbereich über einen Luft führenden Luftweg (2) und eine Gemischbildungsstrecke (8) als Brenngas-Luft-Gemisch zu mindestens einem zweiten Bereich (10-2) der Brennerfläche (10) strömt und
    sodann der Verbrennung zugeführt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass bei Betrieb in einem Bereich niedriger Brennerleistung die Verbrennungsluft in einen dem zweiten Brennerflächenbereich (10-2) zugeordneten zweiten Bereich (9-2) eines Verteilraums (9) gefördert wird und von dort
    • teilweise durch den zweiten Brennerflächenbereich (10-2) ausströmt und
    • teilweise durch den Verteilraum (9) in Bereiche gliedernde, mindestens teilweise durchlässige Zwischenwände (11) in einen dem ersten Brennerflächenbereich (10-1) zugeordneten ersten Bereich (9-1) des Verteilraums (9) strömt, sich hier mit dem Brenngas mischt, als Brenngas-Luft-Gemisch durch den ersten Brennerflächenbereich (10-1) ausströmt und der Verbrennung zugeführt wird.
  9. Verfahren zum Betreiben eines Gasgebläsebrenners mit modulierbarer Brennerleistung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betrieb in einem Bereich hoher Brennerleistung das Brenngas-Luft-Gemisch in einen zweiten Bereich (9-2) des Verteilraums (9) gefördert wird und von dort
    • teilweise durch den zweiten Brennerflächenbereich (10-2) ausströmt und
    • teilweise durch den Verteilraum (9) in Bereiche gliedernde, mindestens teilweise durchlässige Zwischenwände (11) in den ersten Bereich (9-1) des Verteilraums (9) strömt und durch den ersten Brennerflächenbereich (10-1) ausströmt
    und der Verbrennung zugeführt wird.
  10. Verfahren zum Betreiben eines Gasgebläsebrenners mit modulierbarer Brennerleistung nach Anspruch 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    • dass ein im Luftweg (2) angeordnetes Gebläse (4) eine einer vorgebbaren Brennerleistung zugeordnete Luftmenge in mindestens einen Bereich (9-2) eines in mindestens zwei Bereiche gegliederten Verteilraums (9) fördert,
    • dass ein Gasventil (7) eine der vorgebbaren Brennerleistung zugeordnete Brenngasmenge reguliert, und
    • dass ein stromabwärts des Gasventils (7) und stromaufwärts des Verteilraums (9) angeordnetes Zweiwegeventil (13) oder Mehrwegeventil (13) die Fließrichtung des Brenngases in Abhängigkeit der vorgebbaren Brennerleistung bestimmt,
    • wobei bei einem Betreiben des Gebläsebrenners in einem Bereich niedriger Brennerleistung das Brenngas mindestens einem ersten Bereich (9-1) des Verteilraums direkt zuströmt, sich in diesem Bereich (9-1) des Verteilraums mit Verbrennungsluft mischt und der Verbrennung zugeführt wird, und
    • wobei bei einem Betreiben des Gebläsebrenners in einem Bereich hoher Brennerleistung das Brenngas dem mit mindestens einem zweiten Bereich (9-2) des Verteilraums (9) verbundenen Luftweg (2) zuströmt, sich im Luftweg (2) mit Verbrennungsluft zu einem Brenngas-Luft-Gemisch vermischt und dem Verteilraum (9) und der Verbrennung zugeführt wird.
  11. Gasheizgerät mit einem Gasgebläsebrenner mit modulierbarer Brennerleistung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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