EP3910237B1 - Brenneranordnung und verteilblech - Google Patents

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EP3910237B1
EP3910237B1 EP21172729.2A EP21172729A EP3910237B1 EP 3910237 B1 EP3910237 B1 EP 3910237B1 EP 21172729 A EP21172729 A EP 21172729A EP 3910237 B1 EP3910237 B1 EP 3910237B1
Authority
EP
European Patent Office
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burner
ionization
openings
burner body
distribution plate
Prior art date
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Active
Application number
EP21172729.2A
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English (en)
French (fr)
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EP3910237A3 (de
EP3910237A2 (de
Inventor
Markus Polus
Thomas Ernst
Mira Engel
Andreas Andreas Kipp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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Publication date
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Publication of EP3910237A3 publication Critical patent/EP3910237A3/de
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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
    • F23D14/12—Radiant burners
    • F23D14/14—Radiant burners using screens or perforated plates
    • F23D14/145—Radiant burners using screens or perforated plates combustion being stabilised at a screen or a perforated plate
    • 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
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F23D14/04—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner
    • F23D14/10—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner with elongated tubular burner head
    • F23D14/105—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner with elongated tubular burner head with injector axis parallel to the burner head axis
    • 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
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/70—Baffles or like flow-disturbing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2203/00—Gaseous fuel burners
    • F23D2203/10—Flame diffusing means
    • F23D2203/101—Flame diffusing means characterised by surface shape
    • F23D2203/1012—Flame diffusing means characterised by surface shape tubular
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2203/00—Gaseous fuel burners
    • F23D2203/10—Flame diffusing means
    • F23D2203/102—Flame diffusing means using perforated plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2208/00—Control devices associated with burners
    • F23D2208/10—Sensing devices

Definitions

  • the invention relates to a burner for a gas heating device for heating buildings and/or domestic water with an ionization electrode, in particular a burner arrangement with an ionization electrode in a combustion chamber of a gas heating device.
  • This does not only apply to large systems, but also to wall-mounted devices for heating water and generally to heating devices for heating buildings and/or providing hot water.
  • Modern heating devices are operated with premix burners, with monitoring and control often being carried out using an ionization measurement.
  • Such burners are used, for example, in the EP3293455A1 or the EP1036984B3 described.
  • an ionization electrode is placed near a burner body in a combustion chamber, whereby the burner body has a predeterminable hole pattern.
  • the flames that are created form a so-called flame carpet that corresponds to the hole pattern, whereby the ionization electrode is located in the area of the flames.
  • the hole pattern (usually made up of holes and/or slots) is determined according to the design of the burner body, the combustion chamber, the type of fuel gas and other criteria.
  • the burner body In cylindrically shaped combustion chambers, the burner body is often made from a sheet rolled into a cylinder for manufacturing reasons, which already has the hole pattern and forms a largely cylindrically symmetrical flame carpet in the combustion chamber.
  • the requirements for the hole pattern are essentially determined by factors such as the design and/or the needs, requirements, etc. of an ionization measurement and control system. This includes, in particular, the highest possible modulation bandwidths, which should remain practically unchanged or constant over the service life of the device in view of the control quality.
  • the ionization electrode is detected differently by the flame carpet. At higher power, the flames are larger and stand further away from the burner body than at lower power.
  • An ionization signal in the form of an ionization current is evaluated with the ionization electrode integrated in a closed circuit and used to monitor and, if necessary, control the heater.
  • Control here refers in particular to the mixture formation of the combustion partners, which after combustion results in a lambda value of the combustion products (the lambda air ratio indicates the ratio of air to fuel gas compared to a stoichiometric ratio).
  • the problem is therefore to record and evaluate changes in the ionization signal over the widest possible load range of the burner during aging in order to obtain constant mixture control over the service life of the device.
  • the provision of a sufficiently strong measuring signal from the Ionization current is required, which is determined using a statically placed electrode. Since the ionization current strength also decreases within this system as the heat load decreases, but a defined minimum current for regulation must not be undercut, the load modulation of the heat cell is limited.
  • orifices and distribution devices in the gas-air path (in the direction of flow) in front of the burner surface are mainly used for the purpose of homogenizing the internal burner pressure for the purpose of uniform flame distribution, or in the case of pressure-side mixture formation (pressure side of the blower) for mixing air and fuel gas.
  • the EP0631091 discloses a burner in which an inner and an outer perforated sheet are provided, the distance between the holes of the outer sheet and their passage section being such that the total of the two perforated sheets has a total gas passage coefficient of at most 7.8%. This is said to have advantages in combustion, in particular a lower formation of nitrogen oxides.
  • the US5240411 describes an atmospheric gas burner assembly for use in a domestic water heater.
  • This also includes an internal distributor plate member having a plurality of relatively large openings for directing the gaseous fuel-air mixture from the burner chamber more or less evenly distributed upwards over the flat top of the distributor plate member.
  • Above the internal distributor plate member lies an apertured burner aperture plate member extending parallel thereto at a distance.
  • the burner plate member is provided with a plurality of relatively small openings evenly spaced from one another to allow the discharged gaseous fuel-air mixture to flow upwards through to to form small jets which emerge from the upper surface of the burner plate portion and which are ignited and burn as they exit the openings during operation of the burner assembly.
  • the EP2167876 a generic burner arrangement with a diffuser in which first and second openings are provided for the passage of a mixture of fuel and air. Furthermore, a distribution element is arranged within the burner (1) in the vicinity of the diffuser, the distribution element being provided with further first and second openings for the passage of the mixture.
  • the openings are distributed or configured such that the mixture flow is supplied in the vicinity of an ionization sensor such that the ionization is kept substantially constant when the operating power of the burner is varied up to about 10% of the nominal power, so that the ionization sensor functions correctly up to this value of the operating power.
  • the surface burner of the EP2687781 consists of a distributor plate and a burner surface with a knitted fabric.
  • the distributor plate is provided with a control part and a main part.
  • the fuel-air mixture is guided through the knitted fabric in the main part and unaffected through the knitted fabric in the control part.
  • variations of orifices and specially arranged burner surface outlet geometries are known, which cause changes in the local burner surface load, thereby specifically influencing the generated ionization current, and thus enabling larger modulation bandwidths (as constant as possible ionization current curve over the entire modulation range).
  • One concept for increasing the burner surface load in the area of the ionization electrode is to increase the flame density (local increase in the surface load) by additional perforations in the burner surface, which leads to an amplification of the necessary measurement signal.
  • This concept is based, for example, on the EP1036984 out.
  • the object of the present invention is to at least partially solve the problems described with reference to the prior art.
  • a burner arrangement is to be created that can be produced inexpensively and yet can be adapted to the needs of an ionization measurement, so that an adequate ionization measurement signal can be provided for lambda control over a wide range.
  • a simple adaptation of a burner body, the hole pattern of which is designed and/or optimized for other purposes, in the area of an ionization electrode to the needs of an ionization measurement for determining the lambda value should be possible.
  • one of the objects of the invention is to provide a burner design that allows for the highest possible modulation ranges but also age-related changes in the ionization signal control system via (ADA) corrections.
  • the modulation points (constant speeds) as a function of lambda which can be used for age-related changes in the ionization signal control system.
  • a burner arrangement is used with a burner body that has an inner surface and an outer surface as well as a pattern of openings for the passage of an air-fuel gas mixture, and an ionization electrode with an electrode length that runs at a distance from the outer surface of the burner body and essentially parallel to it, wherein a distribution plate is present which changes the pattern of openings in the area of the ionization electrode by at least partially covering some of the openings.
  • a distribution plate in the area of the ionization electrode above and/or below the burner surface influences the curve characteristics as desired with a special hole pattern. The arrangement of the opening pattern and the hole pattern of the distribution plate is taken into account.
  • This is in particular a gas burner which forms two burner surfaces arranged parallel to each other, consisting of a distributor plate (burner gas-air mixture inflow side) and a burner body (side facing the combustion chamber).
  • a burner (surface) arrangement may be formed with a distributor plate which forms an inner surface of the burner arrangement and a burner body which has a outer surface of the burner arrangement. Patterns of openings and/or holes for the passage of an air-fuel gas mixture can be provided on both the distributor plate and the burner body.
  • the distributor plate and burner body are usually arranged coaxially to one another.
  • An ionization electrode is also provided with an electrode length that runs at a distance from the outer surface of the burner body and essentially parallel to it.
  • the burner surface of the burner body that is directly assigned to the ionization electrode can have a surface section with a homogeneous, evenly distributed open opening structure (openings/slots) in the axial and radial directions, whereby the ionization electrode can be aligned centrally to this surface section.
  • the distributor plate arranged on the inside of the burner body (i.e. the side from which the burner gas-air mixture flows in) and aligned parallel to the burner surface or the burner body can have an alternating, strongly open hole structure in the radial direction. This can be achieved, for example, by means of intermediate sections that are free of hole structures, whereby a symmetrically arranged hole structure is still present.
  • the arrangement of the surfaces of the burner body and the distributor plate closest to the ionization electrode, viewed in the axial direction, is designed in such a way that the hole structure of the distributor plate can be assigned parallel to the burner body in such a way that the surfaces with the larger opening degree are directly assigned to the hole structure with the smaller opening degree of the burner body and vice versa.
  • the described combination of the arrangement and design of both hole structures of the distributor plate and the burner surface can lead to a lambda-dependent homogeneity of the flame image in the area of the ionization electrode, regardless of the load range of the burner. This measure can be used to design both high modulation bandwidths for stable control and lambda-dependent, continuously falling/rising ionization current curves.
  • This solution can improve the mixture distribution of the fuel in a defined area of the inner surface (in the direction of flow in front of the burner surface) of a burner for gas-fired heating devices in such a way that a flame image is generated over the modulation range of the heat load, which, in combined use with measuring devices for the quantitative determination of an ionization current (usually ignition/ionization electrodes), delivers the highest possible ionization signal above this burner surface area and/or over the entire modulation bandwidth.
  • an ionization current usually ignition/ionization electrodes
  • a stable control signal that is independent of aging can be obtained for this control over the set modulation range of the heat load, or a corresponding ADA correction can be made possible by means of functional adaptation.
  • the degree of modulation can be increased by the ionization current providing an adequate signal for controlling the mixture formation over the widest possible modulation range.
  • the described concept of the distributor plate in combination with the combustion body ensures a load-modulation-dependent pressure equalization in the area of the ionization electrode and can influence the flames on the combustion body in such a way that they always form the same distance to the electrode under all load and/or lambda variations of the combustion.
  • the distribution plate is arranged on the inner surface of the burner body.
  • the distribution plate is positioned opposite the inner surface of the burner body in such a way that the defined perforation shapes the flame pattern on the ionization electrode in the desired manner and It can be attached together with the burner body to the flange of the burner, for example by welding, screwing, riveting or the like.
  • the distribution plate is preferably positioned on the pressure side, ie on the side against which the gas mixture flows. A gap/space of approx. 6 mm to 8 mm can be provided between the distribution plate and the burner body.
  • the distribution plate can have a length that corresponds at least to the electrode length and a width in the range of 1 to 10 cm [centimeters], preferably 2 to 6 cm.
  • the distribution plate can be designed in the manner of a circular or cylindrical segment. In most cases, the surface of the distribution plate is essentially congruent with the burner body surface.
  • the holes in the distribution plate can be round and/or slot-shaped to release an opening area that can have a length that corresponds at least to the electrode length. Different opening areas of predeterminable openness can be provided by coordinated rows of holes/slots, e.g.
  • the distribution plate influences the amount of fuel gas-air mixture flowing out in the area of the ionization electrode and, in conjunction with the combustion body and its opening pattern, ensures pressure equalization, which can result in a more uniform flow around the ionization electrode that is less dependent on the performance of the heater.
  • the distribution plate is particularly preferably a perforated plate whose holes make up (maximum) 5 to 10% [percent], preferably in the range of 5 to 10%, of its surface. A corresponding proportion of openings in the burner body are completely or partially covered by the non-perforated surface of the distribution plate.
  • the openings in the burner body have a smallest dimension and the holes in the distribution plate are so large and have such a shape that 3 to 20 openings, preferably 4 to 16, are at least partially covered by one hole, especially in the area immediately below the ionization electrode.
  • the openings in a burner body are not necessarily all circular.
  • hole patterns with slots (and holes) but the smallest dimension of all openings is also determined by the fact that a flashback of flames into the burner body is to be avoided. Therefore, holes and slots usually have a smallest dimension in the range of 0.3 to 1.0 mm [millimeters].
  • slots can be significantly longer, for example 2 to 8 mm.
  • the holes are essentially circular and have a diameter of 1 to 5 mm, preferably 2 to 3 mm.
  • the distribution plate should be made of the same material as the burner body or a material with similar thermal behavior in order to avoid different expansions and thus thermal stresses during operation.
  • the diffuser plate may be adapted to be mounted on an external surface or an internal surface of a burner body, the diffuser plate having holes comprising 20 to 80% of its area.
  • the holes are essentially circular and have a diameter of 5 to 15 mm.
  • a staggered arrangement closest packing of spheres is advantageous.
  • the distribution plate preferably has the shape of a section of a cylinder jacket surface, an axial length of 5 to 20 cm, preferably 5 to 15 cm, and a width of 1 to 10 cm, preferably 2 to 6 cm.
  • Fig.1 shows schematically a burner arrangement according to the invention for a heating device with a burner body 3 and an ionization electrode 7. Both are typically attached (via a flange) to a so-called burner door 2.
  • the burner body 3 is cylindrical and protrudes with its axial extension into a combustion chamber 1.
  • the ionization electrode 7 runs at a distance of e.g. 5 to 10 cm in the axial direction approximately parallel to an outer surface 5 of the burner body 3 and has an electrode length EL of e.g. 5 to 20 cm.
  • the burner body 3 has openings 6 which run from its inner surface 4 to the outer surface 5. A mixture of fuel gas and air can flow through these to be burned in the combustion chamber 1, whereby flames 11 are formed.
  • the openings 6 can be circular and/or slot-shaped, each with a smallest dimension of about 0.3 to 1 mm, preferably 0.5 to 0.8 mm. In most cases they are arranged in the form of patterns, the size and pattern of the openings depending, among other things, on the fuel gas to be burned, the geometry of the burner body, combustion chamber and the power range of the heater. However, the pattern is not always suitable for correctly flowing to an ionization electrode 7 over a wide power range. This is achieved according to the invention by a distribution plate 8 with holes 9, which is arranged on the outer surface 5 or the inner surface 4 in the area 10 of the ionization electrode 7.
  • the holes 9 are dimensioned and designed in such a way that they each leave several openings 6 of the burner body 3 completely or partially free, while closed partial areas of the distribution plate 8 cover numerous openings 6 completely or partially. This creates an area 10 around the ionization electrode 7 with fewer flames 11 than in the rest of the combustion chamber 1, which improves the measurement accuracy over a large power range.
  • the distribution plate 8 is also suitable for retrofitting existing burner bodies 3.
  • Fig.2 shows a distribution plate 8 with holes 9 (here circular) which have a diameter D of 2.5 to 3.5 mm.
  • the distribution plate 8 has the shape of a section of the outer surface of a cylinder, a length L in the axial direction of 5 to 20 cm and a width B of 1 to 10 cm.
  • the approximate size of openings 6 of a burner body 3 is indicated as an example.
  • the present invention makes it possible to extend the applicability and/or accuracy of an ionization measuring system by simple means and to control heating devices equipped therewith over a wide power range.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Brenner für ein Gas-Heizgerät zum Beheizen von Gebäuden und/oder Brauchwasser mit lonisationselektrode, insbesondere eine Brenneranordnung mit lonisationselektrode in einem Verbrennungsraum eines Gas-Heizgerätes. Dabei geht es nicht nur um große Anlagen, sondern auch um Wandgeräte zur Erwärmung von Wasser und generell um Heizgeräte für die Beheizung von Gebäuden und/oder die Bereitstellung von warmem Wasser. Moderne Heizgeräte werden mit Vormischbrennern betrieben, wobei die Überwachung und Regelung häufig mittels einer Ionisationsmessung durchgeführt wird.
  • Derartige Brenner sind beispielsweise in der EP 3293455 A1 oder der EP 1036984 B3 beschrieben.
  • Dazu wird eine lonisationselektrode in der Nähe eines Brennerkörpers in einem Verbrennungsraum angeordnet, wobei der Brennerkörper ein vorgebbares Lochmuster aufweist. Durch die Löcher dieses Lochmusters tritt Brenngas-Luft-Gemisch aus, wird gezündet und verbrennt im Verbrennungsraum. Die dabei entstehenden Flammen bilden einen dem Lochmuster entsprechenden sogenannten Flammenteppich, wobei die lonisationselektrode im Bereich der Flammen liegt. Das Lochmuster (meist aus Löchern und/oder Schlitzen gebildet) wird nach der Bauform des Brennerkörpers, des Verbrennungsraumes, der Art des Brenngases und weiteren Kriterien festgelegt. In zylindrisch geformten Brennräumen wird der Brennerkörper aus Fertigungsgründen häufig aus einem zu einem Zylinder gerollten Blech hergestellt, welches schon das Lochmuster aufweist und zu einem weitgehend zylindersymmetrischen Flammenteppich im Verbrennungsraum führt. Die Anforderungen an das Lochmuster werden aber im Wesentlichen von Faktoren wie die Bauart und/oder die Bedürfnisse, Anforderungen, etc. eines lonisations-Mess-Regel-Systems bestimmt. Dazu gehören insbesondere möglichst hohe Modulationsbandbreiten, die angesichts der Regelgüte über die Lebensdauer des Gerätes praktisch unverändert bzw. konstant bleiben sollen. Hierbei spielen die Flammenausprägung über der Brenneroberfläche und/oder die Veränderung bzw. Alterung der Bauteile, wie die des Brenners sowie der angrenzenden lonisationselektrode, eine besonders wichtige bzw. sogar entscheidende Rolle. Abhängig von der Modulation und somit auch der Leistung des Heizgerätes wird die lonisationselektrode unterschiedlich vom Flammenteppich erfasst. Bei höherer Leistung sind die Flammen größer und heben weiter von dem Brennerkörper ab als bei kleinerer Leistung. Dabei wird ein lonisationssignal in Form eines Ionisationsstroms unter der Einbindung der lonisationselektrode in einem geschlossenen Stromkreis ausgewertet und für die Überwachung und ggf. Regelung des Heizgerätes genutzt. Unter einer "Regelung" wird hier insbesondere die Gemischbildung der Verbrennungspartner verstanden, was nach der Verbrennung in einem Lambdawert der Verbrennungsprodukte resultiert (die Luftzahl Lambda gibt das Verhältnis von Luft zu Brenngas verglichen mit einem stöchiometrischen Verhältnis an). Um über einen möglichst weiten Modulationsbereich eine konstante Regelung des Mischungsverhältnisses in Anbetracht der Alterung der Bauteile über die Lebensdauer des Heizgerätes zu gewährleisten, kann eine Korrektur (ADA-Korrektur; ADA = automatic drift adaption) dieses Effektes besonders sinnvoll sein. Das Problem besteht also darin, Veränderungen im lonisationssignal über einen möglichst breiten Belastungsbereich des Brenners im Laufe der Alterung zu erfassen und auszuwerten, um eine konstante Gemischregelung über die Lebensdauer des Gerätes zu erhalten.
  • Für den normkonformen Betrieb ionisationsstrombasierter Gas-Luft-Gemischregelungen ist die Bereitstellung eines ausreichend starken Messsignals des Ionisationsstroms erforderlich, das mithilfe einer statisch eingebrachten Elektrode ermittelt wird. Da innerhalb dieses Systems mit sinkender Wärmebelastung auch die lonisationsstromstärke abnimmt, ein definierter Mindeststrom zur Regelung jedoch nicht unterschritten werden darf, ist der Belastungsmodulation der Wärmezelle hierdurch beschränkt.
  • Gemäß heutigem Stand der Technik werden Blenden und Verteilereinrichtungen im Gas-Luft-Weg (in Strömungsrichtung) vor der Brenneroberfläche hauptsächlich zum Zweck der Homogenisierung des Brennerinnendrucks zum Zweck der gleichförmigen Flammenverteilung verwendet, bzw. bei druckseitiger Gemischbildung (Druckseite des Gebläses) zur Durchmischung von Luft und Brenngas.
  • Die EP 0631091 offenbart einen Brenner, bei dem ein inneres und ein äußeres perforierten Blech vorgesehen sind, wobei der Abstand der Löcher des äußeren Blechs und ihres Durchgangsabschnitts derart sind, dass die Gesamtheit der beiden perforierten Bleche einen Gesamtgasdurchgangskoeffizienten von höchstens 7,8 % hat. Dies soll Vorteile bei der Verbrennung haben, insbesondere einer geringeren Sickoxidentstehung.
  • Die US 5240411 beschreibt einen atmosphärische Gasbrenneranordnung zur Verwendung in einem Haushaltswassererhitzer. Diese umfasst auch ein innenliegendes Verteilerplattenteil mit einer Vielzahl von relativ großen Öffnungen, um das gasförmige Brennstoff-Luft-Gemisch aus der Brennerkammer mehr oder weniger gleichmäßig verteilt über die flache Oberseite des Verteilerplattenteils nach oben zu leiten. Über dem inneren Verteilerplattenteil liegt ein mit Öffnungen versehenes Brenneröffnungsplattenteil, das sich mit Abstand parallel dazu erstreckt. Das Brennerplattenteil ist mit einer Vielzahl von relativ kleinen Öffnungen versehen, die gleichmäßig voneinander beabstandet sind, damit das abgegebene gasförmige Brennstoff-Luft-Gemisch nach oben hindurchströmen kann, um kleine Strahlen zu bilden, die aus der oberen Oberfläche des Brennerplattenteils austreten und beim Austritt aus den Öffnungen gezündet werden und verbrennen, während des Betriebs der Brenneranordnung.
  • Weiter offenbart die EP 2167876 eine gattungsgemäße Brenneranordnung mit einem Diffusor, in dem erste und zweite Öffnungen für den Durchgang eines Gemischs aus Brennstoff und Luft vorgesehen sind. Weiter ist ein Verteilerelement innerhalb des Brenners (1) in der Nähe des Diffusors angeordnet, wobei das Verteilungselement mit weiteren ersten und zweiten Öffnungen für den Durchgang des Gemischs versehen ist. Die Öffnungen sind derart verteilt oder konfiguriert, dass der Gemischstrom in der Nähe eines Ionisationssensor so zugeführt wird, dass die Ionisation im Wesentlichen konstant gehalten wird, wenn die Betriebsleistung des Brenners bis zu etwa 10 % der Nennleistung variiert wird, so dass der Ionisationssensor bis zu diesem Wert der Betriebsleistung ordnungsgemäß funktioniert.
  • Der Flächenbrenner der EP 2687781 besteht aus einer Verteilerplatte und einer Brenneroberfläche mit Gestrick. Die Verteilerplatte ist mit einem Steuerteil und einem Hauptteil versehen. Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird im Hauptteil durch das Gestrick und im Steuerteil unbeeinflusst durch das Gestrick geleitet.Daneben sind in Verbindung mit ionisationsstrombasierten Gas-Luft-Gemisch-Regelungen Variationen von Blenden und speziell angeordneten Brenneroberflächenaustrittsgeometrien (Lochstruktur) bekannt, die Änderungen in der lokalen Brennerflächenbelastung bewirken, wodurch gezielt Einfluss auf den erzeugten lonisationsstrom vorgenommen wird, und somit größere Modulationsbandbreiten (möglichst konstanter lonisationsstromverlauf über den kompletten Modulationsbereich) ermöglicht werden.
  • Ein bekanntes Konzept zur Erweiterung der Modulationsbandbreite unter Einfluss der Brenneroberflächengeometrie ist in der EP 3293455 A1 erläutert. Das direkt unter der lonisationselektrode ausgewiesene Lochmuster bzw. die Lochstruktur der Brenneroberfläche wird dabei in Flächen mit unterschiedlichem Ausströmprofil um die lonisationselektrode unterteilt, so dass möglichst hohe Modulationsbandbreiten erreicht werden. Dies ist fertigungstechnisch allerdings mit einigem Aufwand verbunden und für jede Art von Brennerkörper und lonisationselektrode ist eine eigene Gestaltung erforderlich.
  • Ein Konzept zur Erhöhung der Brenneroberflächenbelastung im Bereich der lonisationselektrode ist eine durch zusätzlich eingebrachte Perforationen in der Brenneroberfläche erzielte Erhöhung der Flammendichte (lokale Erhöhung der Flächenbelastung) die zu einer Verstärkung des notwendigen Messsignals führt. Dieses Konzept geht beispielswiese aus der EP 1036984 hervor.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine Brenneranordnung geschaffen werden, die kostengünstig herstellbar und trotzdem an die Bedürfnisse eine Ionisationsmessung anpassbar ist, so dass eine adäquate lonisationsmesssignalbereitstellung zur Lambda-Regelung über einen weiten Bereich möglich ist. Dabei soll eine einfache Anpassung eines Brennerkörpers, dessen Lochmuster für andere Zwecke gestaltet und/oder optimiert ist, im Bereich einer lonisationselektrode an die Bedürfnisse einer Ionisationsmessung zur Bestimmung des Lambda-Wertes möglich sein.
  • Anders ausgedrückt ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Brennerdesign bereitzustellen, das möglichst hohe Modulationsbereiche aber auch alterungsbedingte Änderungen des lonisationssignal-Regel-Systems über (ADA-)Korrekturen ermöglicht. Es geht dabei um möglichst konstante lonisationsstrom-Verläufe innerhalb der Modulationsbandbreite aber auch spezielle Kurvencharakteristika für Ionisationsstrom-Verläufe der Modulationspunkte (konstanter Drehzahlen) als Funktion von Lambda, die für alterungsbedingten Änderungen des lonisationssignal-Regel-Systems verwendet werden können.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Brenneranordnung gemäß dem unabhängigen Anspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, veranschaulicht die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.
  • Zur Lösung der Aufgabe dient eine Brenneranordnung mit einem Brennerkörper, der eine Innenoberfläche und eine Außenoberfläche sowie ein Muster aus Öffnungen zum Durchtritt eines Luft-Brenngas-Gemisches aufweist, und einer lonisationselektrode mit einer Elektrodenlänge, die mit Abstand von der Außenoberfläche des Brennerkörpers und im Wesentlichen parallel zu dieser verläuft, wobei ein Verteilbleich vorhanden ist, welches das Muster aus Öffnungen im Bereich der lonisationselektrode verändert, indem es einen Teil der Öffnungen zumindest teilweise abdeckt. Ein Verteilerblech im Bereich der lonisationselektrode über und/oder unter der Brenneroberfläche beeinflusst die Kurvencharakteristik mit einem speziellen Lochmuster wunschgemäß. Dabei wird die Anordnung des Öffnungsmusters und des Lochmusters des Verteilblechs berücksichtigt.
  • Hierbei handelt es sich insbesondere um einen Gasbrenner, welcher zwei parallel zueinander angeordneten Brennerflächen bildet, bestehend aus einem Verteilerblech (Brenner-Gas -Luftgemisch einströmende Seite) und einem Brennerkörper (brennraumzugewandte Seite).
  • Eine Brenner(flächen)anordnung kann mit einem Verteilerblech ausgebildet sein, das eine Innenoberfläche der Brenneranordnung bildet, sowie einem Brennerkörper, der eine Außenoberfläche der Brenneranordnung bildet. Sowohl auf dem Verteilerblech als auch auf dem Brennerkörper können Muster aus Öffnungen und/oder Löcher zum Durchtritt eines Luft-Brenngas-Gemisches vorgesehen sein. Verteilerblech und Brennerkörper sind regelmäßig koaxial zueinander angeordnet. Weiter ist eine lonisationselektrode mit einer Elektrodenlänge vorgesehen, die mit Abstand von der Außenoberfläche des Brennerkörpers und im Wesentlichen parallel zu dieser verläuft. Die der lonisationselektrode direkt zugeordnete Brenneroberfläche des Brennkörpers kann in Axial- und Radialrichtung einen Flächenabschnitt mit einer homogenen, gleichmäßig verteilten offenen Öffnungsstruktur (Öffnungen/Schlitze) aufweisen, wobei die lonisationselektrode mittig zu diesem Flächenabschnitt ausgerichtet sein kann. Das an der Innenseite des Brennerkörpers (also die Seite, von der das Brenner-Gas-Luftgemisch einströmt) angeordnetes und parallel zu Brenneroberfläche bzw. dem Brennkörper ausgerichtetes Verteilerblech, kann in Radialrichtung eine abwechselnd stark offene Lochstruktur aufweisen. Diese kann z. B. durch Lochstruktur-freie Zwischenabschnitte erreicht sein, wobei noch immer eine symmetrisch angeordnete Lochstruktur vorliegt.
  • Die Anordnung der zur lonisationselektrode nächstliegenden Flächen des Brennkörpers und des Verteilerblechs in axial Richtung gesehen ist so gestaltet, dass die Lochstruktur des Verteilerbleches dabei dem Brennkörper gegenüber parallel so zuordenbar ist, dass die Flächen des größeren Öffnungsgrades direkt der Lochstruktur der kleineren Öffnungsgrades des Brennkörpers und umgekehrt zugeordnet sind. Die beschriebene Kombination der Anordnung und Gestaltung beider Lochstrukturen des Verteilerbleches und der Brenneroberfläche kann zu einer Lambda-abhängigen Homogenität des Flammenbildes im Bereich der lonisationselektrode unabhängig von Lastbereich des Brenners führen. Mit dieser Maßnahme lassen sich sowohl hohe Modulationsbandbereiten für eine stabile Regelung sowie Lambdaabhängigen stetig fallenden/steigenden lonisationsstromverläufe gestalten.
  • Diese Lösung kann die Gemischverteilung des Brennstoffs in einem definierten Bereich der Innenfläche (in Strömungsrichtung vor der Brenneroberfläche) eines Brenners für gasbefeuerte Heizgeräte so verbessern, dass über dem Modulationsbereich der Wärmebelastung ein Flammenbild erzeugt wird, welches im kombinierten Einsatz mit Messmitteln zur quantitativen Bestimmung eines Ionisationsstroms (i.d.R. Zünd-/Ionisationselektroden) oberhalb dieses Brennerflächenbereichs und/oder über die komplette Modulationsbandbreite ein möglichst hohes lonisationssignal liefert. Zudem kann auch sichergestellt werden, dass in einem vorgegebenen oder gewünschten Lastpunkt des Modulationsbereichs ein Lambda-abhängiger stetig fallenden bzw. stetig steigender lonisationsstrom-Verlauf vorliegt. Der Kurvenverlauf weist zu abfallenden Lambdaverlauf hin, einen stark abflachenden Verlauf. Im Rahmen einer ionisationsstrombasierten Regelung des Gas-Luft-Gemischs in o.g. Heizgeräten kann demnach mittels funktioneller Anpassung ein für diese Regelung alterungsunabhängiges stabiles Regelsignal über den eingestellten Modulationsbereich der Wärmebelastung erhalten werde, bzw. eine entsprechende ADA-Korrektur ermöglicht werden. Des Weiteren wird die Steigerung des Modulationsgrades ermöglicht, indem der lonisationsstrom über eine möglichst weiten Modulationsbereich ein für die Reglung der Gemischbildung adäquates Signal bereitstellt.
  • Das beschriebene Konzept des Verteilerblechs in Kombination mit dem Brennkörper sorgt für einen last-modulationsabhängigen Druckausgleich in Bereich des lonisationselektrode und kann die Flammen am Brennkörper so beeinflussen, dass diese möglichst unter allen Last- und/oder Lambda-Variationen der Verbrennung immer den gleichen Abstand zur Elektrode ausbilden.
  • Bevorzugt ist das Verteilblech an der Innenoberfläche des Brennerkörpers angeordnet. Bevorzugt ist das Verteilblech der Brennkörper-Innenseite so gegenüber positioniert, dass die definierte Lochung das Flammenbild an der lonisationselektrode in der gewünschten Art und Weise beeinflusst. Es kann zusammen mit dem Brennerkörper am Flansch des Brenners befestigt werden, beispielsweise durch Schweißen, Schrauben, Nieten oder dergleichen. Bevorzugt wird das Verteilblech auf der Druckseite, d. h. auf der vom Gasgemisch angeströmten Seite, positioniert. Zwischen dem Verteilerblech und dem Brennerkörper kann ein Spalt/Zwischenraum von ca. 6 mm bis 8 mm vorgesehen sein.
  • Das Verteilblech kann eine Länge haben, die mindestens der Elektrodenlänge entspricht, und eine Breite im Bereich von 1 bis 10 cm [Zentimeter], vorzugsweise 2 bis 6 cm. Das Verteilblech kann nach Art eines Kreis- bzw. Zylindersegments ausgeführt sein. Die Fläche des Verteilerblechs ist in den meisten Fällen der Brennerkörperfläche im Wesentlichen kongruent. Die Löcher des Verteilerblechs können rund- und/oder schlitzförmig ausgeformt einen Öffnungsbereich freigeben, der eine Länge haben kann, die mindestens der Elektrodenlänge entspricht. Dabei können unterschiedliche Öffnungsbereiche vorgebbarer Offenheit durch abgestimmte Loch-/Schlitz-Reihen vorgesehen sein, z. B. nach Art von Sektoren unterteilt, die in Längsrichtung des Brenners (axial) unter bzw. links oder rechts der lonisationselektrode in einem Abstand von 3 mm bis 10 mm (Millimeter) angeordnet sein können. Mit diesen Dimensionen beeinflusst das Verteilblech die im Bereich der lonisationselektrode ausströmende Menge an Brenngas-Luft-Gemisch und sorgt in Zusammenhang mit dem Brennkörper und dessen Öffnungsmuster für einen Druckausgleich, was eine gleichmäßigere, weniger von der Leistung des Heizgerätes abhängige Umströmung der lonisationselektrode bewirken kann.
  • Besonders bevorzugt ist das Verteilblech ein Lochblech, dessen Löcher (maximal) 5 bis 10 % [Prozent], vorzugsweise im Bereich von 5 bis 10 %, seiner Fläche ausmachen. Ein entsprechender Anteil von Öffnungen im Brennerkörper wird ganz oder teilweise von der nicht gelochten Fläche des Verteilbleches abgedeckt.
  • Insbesondere haben die Öffnungen im Brennerkörper eine kleinste Dimension und die Löcher im Verteilblech sind so groß und haben eine solche Form, dass von einem Loch 3 bis 20 Öffnungen, vorzugsweise 4 bis 16, zumindest teilweise abgedeckt werden, insbesondere im Bereich unmittelbar unter der lonisationselektrode. Die Öffnungen in einem Brennerkörper sind nicht notwendigerweise alle kreisförmig. Es gibt auch Lochmuster mit Schlitzen (und Löchern), wobei aber die kleinste Dimension aller Öffnungen auch dadurch festgelegt ist, dass ein Rückschlag von Flammen in den Brennerkörper vermieden werden soll. Daher haben Löcher und Schlitze meist eine kleinste Dimension im Bereich von 0,3 bis 1,0 mm [Millimeter]. Schlitze können aber deutlich länge sein, beispielsweise 2 bis 8 mm. So kann es z. B. Konstellationen geben, bei denen ein Loch im Verteilblech mehrere Schlitze im Brennerkörper nur teilweise abdeckt.
  • Besonders bevorzugt (und fertigungstechnisch vorteilhaft) sind die Löcher im Wesentlichen kreisförmig und haben einen Durchmesser von 1 bis 5 mm, vorzugsweise 2 bis 3 mm.
  • Das Verteilblech sollte aus dem gleichen oder einem im thermischen Verhalten ähnlichem Material wie der Brennerkörper bestehen, um unterschiedliche Ausdehnungen und damit thermische Spannungen im Betrieb zu vermeiden.
  • Das Verteilblech kann zur Befestigung auf einer Außenoberfläche oder einer Innenoberfläche eines Brennerkörpers eingerichtet sein, wobei das Verteilblech Löcher aufweist, die 20 bis 80 % seiner Fläche ausmachen.
  • Bevorzugt sind die Löcher im Wesentlichen kreisförmig und haben einen Durchmesser von 5 bis 15 mm. Eine versetzte Anordnung (dichteste Kugelpackung) ist vorteilhaft.
  • Für zylinderförmige Brennerkörper hat das Verteilblech bevorzugt die Form eines Ausschnitts aus einer Zylindermantelfläche, eine axiale Länge von 5 bis 20 cm, vorzugsweise 5 bis 15 cm, und eine Breite von 1 bis 10 cm, vorzugsweise 2 bis 6 cm.
  • Damit ist ein Brenner mit lonisationselektrode angegeben, bei dem im Bereich der lonisationselektrode ein Verteilerblech über und/oder unter der Brenneroberfläche vorgesehen ist, das die Kurvencharakteristik des Ionisationsstroms mit einem speziellen Lochmuster wunschgemäß beeinflusst.
  • Schematische Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:
    • Fig. 1:
    einen Brennerkörper mit Verteilblech und lonisationselektrode und
    Fig. 2:
    ein Verteilblech.
  • Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Brenneranordnung für ein Heizgerät mit einem Brennerkörper 3 und einer lonisationselektrode 7. Beide sind typischerweise (über einen Flansch) an einer sogenannten Brennertür 2 befestigt. Im hier vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Brennerkörper 3 zylindrisch und ragt mit seiner axialen Ausdehnung in einen Verbrennungsraum 1. Die lonisationselektrode 7 verläuft in einem Abstand von z. B. 5 bis 10 cm in axialer Richtung etwa parallel zu einer Außenoberfläche 5 des Brennerkörpers 3 und hat eine Elektrodenlänge EL von z. B. 5 bis 20 cm. Der Brennerkörper 3 hat Öffnungen 6, die von seiner Innenoberfläche 4 zur Außenoberfläche 5 verlaufen. Durch diese kann ein Gemisch aus Brenngas und Luft strömen, um im Verbrennungsraum 1 verbrannt zu werden, wobei Flammen 11 entstehen. Die Öffnungen 6 können kreisförmig und/oder schlitzförmig sein mit einer jeweils kleinsten Dimension von etwa 0,3 bis 1 mm, vorzugsweise 0,5 bis 0,8 mm. In den meisten Fällen sind sie in Form von Mustern angeordnet, wobei die Größe und das Muster der Öffnungen u. a. von dem zu verbrennenden Brenngas, der Geometrie von Brennerkörper, Verbrennungsraum und dem Leistungsbereich des Heizgerätes abhängt. Das Muster ist jedoch nicht immer geeignet, eine lonisationselektrode 7 über einen weiten Leistungsbereich richtig anzuströmen. Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verteilblech 8 mit Löchern 9 erreicht, welches auf der Außenoberfläche 5 oder der Innenoberfläche 4 im Bereich 10 der lonisationselektrode 7 angeordnet ist. Die Löcher 9 sind so bemessen und gestaltet, dass sie jeweils mehrere Öffnungen 6 des Brennerkörpers 3 ganz oder teilweise frei lassen, während geschlossene Teilbereiche des Verteilbleches 8 zahlreiche Öffnungen 6 ganz oder teilweise abdecken. So entsteht um die lonisationselektrode 7 ein Bereich 10 mit weniger Flammen 11 als im übrigen Verbrennungsraum 1, wodurch die Messgenauigkeit über einen großen Leistungsbereich verbessert wird. Zum Auffinden gewünschter Eigenschaften eines lonisationsmesssystems ist es dadurch nur erforderlich, unterschiedliche Verteilbleche 8 einzusetzen. Es muss nicht für jeden Versuch ein Brennerkörper 3 mit einem anderem Lochbild hergestellt werden. Das Verteilblech 8 eignet sich auch zum Nachrüsten von vorhandenen Brennerkörpern 3.
  • Fig. 2 zeigt ein Verteilblech 8 mit Löchern 9 (hier kreisrund), die einen Durchmesser D von 2,5 bis 3,5 mm haben. Das Verteilblech 8 hat die Form eines Ausschnitts aus der Mantelfläche eines Zylinders, eine Länge L in axialer Richtung von 5 bis 20 cm und eine Breite B von 1 bis 10 cm. In einem der Löcher 9 ist beispielhaft die ungefähre Größe von Öffnungen 6 eines Brennerkörpers 3 angedeutet.
  • Die vorliegende Erfindung erlaubt es, mit einfachen Mitteln die Anwendbarkeit und/oder Genauigkeit eines lonisationsmesssystems zu erweitern und damit ausgestattete Heizgeräte in einem breiten Leistungsbereich zu regeln.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Verbrennungsraum
    2
    Brennertür
    3
    Brennerkörper
    4
    Innenoberfläche
    5
    Außenoberfläche
    6
    Öffnungen
    7
    lonisationselektrode
    8
    Verteilblech
    9
    Löcher
    10
    Bereich der lonisationselektrode
    11
    Flammen
    EL
    Elektrodenlänge
    L
    (axiale) Länge (des Verteilblechs)
    B
    Breite (des Verteilblechs)
    D
    Durchmesser (der Löcher)
    F
    Fläche (des Verteilbleches)

Claims (7)

  1. Brenneranordnung mit einem Brennerkörper (3), der eine Innenoberfläche (4) und eine Außenoberfläche (5) sowie ein Muster aus Öffnungen (6) zum Durchtritt eines Luft-Brenngas-Gemisches aufweist, und einer lonisationselektrode (7) mit einer Elektrodenlänge (EL), die mit Abstand von der Außenoberfläche (5) des Brennerkörpers (3) und parallel zu dieser verläuft, wobei ein Verteilblech (8) vorhanden ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilblech (8) das Muster aus Öffnungen (6) im Bereich (10) der lonisationselektrode (7) verändert, indem es einen Teil der Öffnungen (6) zumindest teilweise abdeckt.
  2. Brenneranordnung nach Anspruch 1, wobei das Verteilblech (8) an der Innenoberfläche (4) des Brennerkörpers angeordnet ist.
  3. Brenneranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verteilblech (8) eine Länge (L) hat, die mindestens der Elektrodenlänge (EL) entspricht und eine Breite (B) von 1 bis 10 cm.
  4. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei des Verteilblech (8) ein Lochblech ist, dessen Löcher 5 bis 15 % seiner Fläche (F) ausmachen.
  5. Brenneranordnung nach Anspruch 4, wobei die Öffnungen (6) im Brennerkörper (3) eine kleinste Dimension haben und die Löcher (9) im Verteilblech (8) so groß sind und eine solche Form haben, dass von einem Loch (9) 3 bis 20 Öffnungen (6) zumindest teilweise nicht abgedeckt werden.
  6. Brenneranordnung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Löcher (9) im Wesentlichen kreisförmig sind und einen Durchmesser (D) von 1 bis 5 mm haben.
  7. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verteilblech (8) aus dem gleichen oder einem im thermischen Verhalten ähnlichem Material wie der Brennerkörper (3) besteht.
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