AT405676B - Brennstoffbeheiztes heizgerät - Google Patents

Description

AT 405 676 B

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein brennstoffbeheiztes Heizgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Solche brennstoffbeheizten Heizgeräte sind in einer Vielzahl von Varianten, insbesondere als Umlaufwasserheizer, bekanntgeworden. Sie dienen dazu, das Wasser einer Heizungsanlage für eine Raumheizung zu erwärmen und teilweise zusätzlich dazu oder alternativ hierzu, warmes Gebrauchswasser zu erzeugen. Die brennstoffbeheizten Heizgeräte weisen einen entweder unten- oder als Sturzbrenner ausgebildeten, dann obenliegenden, Brenner auf, der in einer Brennkammer ein Gas-Luft-Gemisch verbrennt, das anschließend durch einen Wärmetauscher geleitet wird und durch eine Abgasleitung in die Atmosphäre gelangt. Die Gebläsebrenner sind entweder so gestaltet, daß das Gebläse zuluftseitig angeordnet ist und entweder nur Luft fordert, der dann das zu verbrennende Gas beigemischt wird, oder das Gebläse ist in der Abgasleitung angeordnet und saugt das Gas-Luft-Gemisch durch den Brenner und den Wärmetauscher hindurch.

Im Zuge der Weiterentwicklung solcher Geräte versuchte man, die Leistungsdichten der Brenner zu erhöhen, das heißt, die Leistungsausbeute in kW pro Flächen- oder Volumeneinheit des Brenners permanent zu erhöhen.

Es hat sich hierbei gezeigt, daß dann Geräusche, wie z. B. Knattern, Brummen oder Pfeifen auftreten können und den Aufsteller und Betreiber eines solchen Heizgerätes erheblich stören, wenn ein solches Gerät, was öfter vorkommt, in einem Wohnraum plaziert wird.

Aus M. Heckl und Η. A. Müller "Taschenbuch der technischen Akustik", Berlin 1975, Seite 383, ist ein Helmholtz-Resonator bekannt, bei dem die Schwingmasse durch die Luft in einer Querschnittsverengung (Bohrung oder Schlitz in einer Abdeckplatte) und die Feder durch ein dahinter liegendes Luftvolumen gebildet werden. Hiermit ist es möglich, in einem schwingenden System eine ganz bestimmte Frequenz zu dämpfen. Angewendet auf breitbandige Geräusche versagt diese Methode.

In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß es schallgedämpfte atmosphärische Gasbrenner in Verbindung mit Helmholtz-Resonatoren gibt, vergleiche DE 2 263 471A. Hierbei tritt allerdings die Schwierigkeit auf, daß nur ein einziges Brennersystem mit einem Helmholtz-Resonator gedämpft werden kann. Es ist also unmöglich, mit einem einzigen Helmholtz-Resonator eine Vielzahl von Gas-Luft-Injektoren zu dämpfen, man muß dann jedem einzelnen Injektor einen gesonderten Helmholtz-Resonator zuordnen und diesen auf die spezielle Frequenz abstimmen.

Ferner ist aus der EP 35 153 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Minimierung der Schallabstrahlung eines Vormischbrenners bekanntgeworden, bei dem dieser Vormischbrenner in Strömungsrichtung des Gas-Luftgemisches gesehen, aus einem Gaszuführrohr besteht, dessen relativ großer Querschnitt sich dann zu einer oder mehreren Gasdüsen verengt. Nach Passieren eines Luftansaugzwischenraums gelangt das Gas-Luftgemisch in einen trichterförmigen Einlaß eines Injektors, wobei im Bereich des Injektors die Querschnitte des Injektors in Strömungsrichtung abnehmen, woran sich dann der eigentliche Injektor anschließt, dessen Strömungsquerschnitt sich in der Durchströmungsrichtung hin erweitert. Anschließend kann das Gas-Luftgemisch aus dem Injektor in eine Gemischverteilkammer eintreten, die es aber nur über relativ kleine Öffnungen zu verlassen imstande ist. Es gelangt dann wieder in eine relativ großvolumige Brennerkammer, die an ihrer Oberseite Brenngemischaustrittsschlitze relativ kleinen Querschnitts aufweist. Im Zuge dieses Vorhalts finden also Querschnittserweiterungen und Querschnittseinengungen statt.

Der vorliegenden Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, allgemein wirksame Maßnahmen zu treffen, die solche Geräusche bei Brennern erst gar nicht entstehen lassen, so daß der Betrieb der Heizgeräte auch in Wohnräumen möglich wird.

Die Lösung der Aufgabe gelingt bei einem brennstoffbeheizten Heizgerät der eingangs näher bezeich-neten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sich aus dem Patentanspruch 2.

In den nachfolgend abgehandelten Figuren 1 bis 6 der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele und Einzelheiten der Erfindung näher behandelt.

Es bedeuten:

Fig. 1 eine erste Variante der Erfindung,

Fig. 2 eine Darstellung der Gemischeinlaufstrecke A-B,

Fig. 3 ein Diagramm,

Fig. 4 ein weiteres Diagramm und

Fig. 5 eine weitere Variante der Erfindung.

In allen 5 Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen Einzelheiten.

Ein brennstoffbeheiztes Heizgerät 1 weist ein Außengehäuse 2 auf, das technisch dicht ausgeführt ist mit Ausnahme einer Öffnung 3, in der eine Frischluftleitung 5 und eine Abgasleitung 4 durchtritt. Zwischen beiden Leitungen verbleibt ein Spalt 6, durch den Frischluft in den Innenraum 7 des Außengehäuses 2 gelangt. Aus dem Innenraum 7 des Außengehäuses 2 wird Luft über eine Öffnung 8 entsprechend dem 2

AT 405 676 B

Streckenanfang A in einen Luftkanal 9 angesaugt. An einer Seite des Luftkanals ist eine Gasarmatur 10 angeordnet, der Gas über eine Gasleitung 11 zugeführt ist. In der Gasarmatur befindet sich unter anderem ein Gasventil, das von einer nicht dargestellten Steuerung geöffnet, geschlossen und/oder in beliebige Zwischenstellungen modulierend eingestellt werden kann. Die somit festgelegte Gasmenge pro Zeiteinheit gelangt durch eine Öffnung 12 in den Innenraum des Luftkanals 9, der somit stromab der Öffnung 12 als Gas-Luft-Gemisch-Kanal 13 aufzufassen ist.

Das der Öffnung 8 abgewandte Ende des Gemischkanals gelangt in einen Innenraum 14 einer Brenneroberhaube 15, in der die Gemischbildung zwischen Gas und Luft vervollkommnet wird. Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß als Gas allgemein brennbare Gase, insbesondere Flüssiggas, Erdgas wie auch Stadtgas als auch eine vergaste Flüssigkeit dienen kann (Ölbrenner).

Die Brenneroberhaube 15 ist auf der dem Luftrohr 9 abgewandten Seite durch eine Brennerplatte 16 abgeschlossen, die eine Vielzahl von Gas-Luft-Gemisch-Durchtrittsöffnungen aufweist. Diese Brennerplatte kann als Metallplatte ausgebildet sein und mit einer Vielzahl von Bohrungen versehen sein, sie kann weiterhin als Keramikplatte gestaltet sein und auch in dieser Ausgestaltung Bohrungen oder Löcher aufweisen, sie kann als Vlies ausgebildet sein oder als Gewebe aus Draht- und/oder Keramikfasern. An der Unterseite dieser Brennerplatte 16 verbrennt das Gas-Luft-Gemisch im Innenraum 17 einer Brennkammer 18, die eine Außenwandung 19 aufweist. Unterhalb der Brennkammer schließt sich ein Wärmetauscher 20 an, der von einer Außenwandung 21 umgeben ist. Generell ist zu sagen, daß die Außengestalt der Brenneroberhaube 15 und der Außenwandung 19 und 21 von Brennkammer und Wärmetauscher zylindrisch, keglig oder poligon sein kann. In Frage kommen im wesentlichen eine zylindrische oder eine Vierkantausbildung mit abgerundeten Kanten.

Der Wärmetauscher 20 besteht aus einer Mehrzahl in einer oder mehreren Etagen aufgebauter mit Lamellen 22 versehenen Wasserrohre 23, die über außen angeordnete Sammelkammern 24 miteinander parallel und/oder in Serie verbunden sind. Dieser Wärmetauscher ist an eine Vor- und Rücklaufleitung 25 beziehungsweise 26 angeschlossen, wobei in einer der beiden Leitungen eine Heizwasserumwälzpumpe 27 angeordnet ist.

Unterhalb der Rohre 23 des Wärmetauschers 20 befindet sich ein Abgassammler 28, der mit einer Abgasleitung 29 verbunden ist. In dieser befindet sich ein von einem Motor 30 angetriebenes Abgasgebläse 31. Der Druckstutzen 32 des Abgasgebläses ist mit der Abgasleitung 4 verbunden. Das Wort Gebläse steht für jede Bauform, die Luft unter Druck zuführt, oder Abgase unter Unterdrück absaugt.

Die Variante der Erfindung gemäß Fig. 5 besteht darin, daß das Gebläse 31 nunmehr im Zuluftweg angeordnet ist, so daß also das Gemisch aus vergastem Brennstoff und Luft unter Druck - und nicht unter Unterdrück gegenüber der Atmosphäre wie im Rahmen der Fig. 1 · dem Innenraum 14 der Brennerhaube 15 zugeführt wird. Ferner handelt es sich beim Gegenstand der Fig. 5 in Abwandlung von dem der Fig. 1 um ein Kondensationsheizgerät.

In der Fig. 2 ist der schematisierte Verlauf der Durchlaufstrecke des Brenngas-Luft-Gemisches vom Einlaß A (8) bis zum Ort des Brenners B (16) dargestellt. Der Brenner mit einem Volumen VB ist ganz allgemein ein Flächenbrenner - gleich welcher technischen Ausgestaltung - der eine Vielzahl kurzer Flammen erzeugt. Beginnend mit dem Beginn der Strecke A entsprechend dem Lufteinlaß 8 in Fig. 1 schließt sich ein erstes Volumen mit einem Querschnitt Qi an, das bis zum Ort des Gebläses 31 reicht. Dieses Volumen erstreckt sich längs einer Strecke Li, wobei der Querschnitt Qi über die Länge Li im wesentlichen konstant bleibt. Das Gebläse 31 selbst stellt ein Volumen Vj dar, das unmittelbar an νΊ anschließt. Dieses Volumen V2 besitzt einen Querschnitt Q2, der als konstant angesehen wird. Somit ergibt sich innerhalb des Gebläses eine Streckenlänge U, längs derer sich das Volumen V2 erstreckt.

An den Austrittsstutzen des Gebläses, in dem übrigens das Gas und die Luft gemischt werden, erstreckt sich ein Volumen V3, in dem die Gemischverteilung zwischen Gas und Luft vervollkommnet wird. Dieses Volumen V3 mit einem Querschnitt Q3 erstreckt sich längs einer Strecke L3. Das letzte Teilstück der Gesamtstrecke von A nach B wird durch das Volumen V4 mit einem Querschnitt CL, der variabel ist, definiert, das sich längs der Strecke U erstreckt und mit dem Innenraum 14 der Brennerhaube 15 identisch ist, aber das Volumen VB des Brenners exkludiert. Das Ende der Strecke ist also mit der dem Brenner-Gesamtvolumen VB zugewandten Seite des Brenners 16 erreicht. Hieran schließt sich das Volumen des Brenners, genauer der Brennerplatte VB, selbst an. Dieses Volumen entspricht dem Raum, der im Hinblick auf die speziell gewählte Konstruktion des Brenners von ihm verdrängt wird.

Der Brenner arbeitet in eine Brennkammer 17 hinein, dessen Innenraum mit 18 bezeichnet ist. An ihn schließt sich der Wärmetauscher 20 an, unter dem ein Abgassammler 28 angeordnet ist, von dem das Abgas über eine Abgasleitung 29 abgeleitet wird.

Bei Betrieb von derartigen Gebläsebrennergeräten können unerwünschte heftige Schwingungen im hörbaren Bereich auftreten, die von der Brennerbelastung, der Gasart, der Luftzahl, insbesondere im 3

AT 405 676 B

Anfahrzustand, wenn das Gerät selbst noch nicht gleichmäßig erwärmt ist, abhängig sind.

Abhilfe beschränkte sich zumeist auf sogenannte "Sekundärmaßnahmen", wie z. B. Membranen in der Wand des Abgassystems.

Hier soll jedoch ein Weg aufgezeigt werden, wie man von vornherein über einfache geometrische Zusammenhänge diese unerwünschten Schwingungen, insbesondere im Bereich der tiefsten möglichen Frequenz (Grundfrequenz), verhindern kann.

Die folgenden Zusammenhänge beziehen sich auf sogenannte Flächenbrenner (z. B. Keramikbrenner), es ist jedoch möglich, auch andere Brennersysteme mit Hilfe der folgenden Zusammenhänge zu betrachten.

Nach Fig. 2 stehen beispielhaft die vier wesentlichen Volumina, Ansaugung νΊ, Lüftersystem V2, Gemischverteilung V3 und Vorkammer V4, in einem bestimmten Verhältnis zum Brennervolumen VB und verteilen sich vom Beginn der Luftansaugung über eine Strecke AB = Lgesani, bis zum Brennereintritt nach einer bestimmten Vorgabe.

Vges ist die Summe von V1 + V2 + V3 + V4 ohne VB Dabei soll nach Möglichkeit gewährleistet sein: V1 < V2 < V3 < V« (1)

Weiterhin soll sein: V1 : VB = V,,* bzw. allgemein für das Element n Vn: VB = Vn, ,* (2a)

Entsprechendes gilt für V2, V3 und V4; V1rei blS V4rel sind jeweils ein Vielfaches von VB. Die zu den Volumina Vi bis Vi gehörigen Streckenabschnitte Li bis U werden gleichermaßen definiert: L1re! bis U,* sind ein Vielfaches von Lges, wobei Lg« die Summe von Li + L2 + La + U.

Es ist also: Li : Lges = L,rei bzw. allgemein für das Element n L„: Lges = L„.ret (2b)

Es hat sich nun aus einer Vielzahl von Versuchen über den Zusammenhang der Volumina Vlrei bis V4rei und ihre Verteilung auf die Strecken L1rei bis U,ei folgendes ergeben:

(3a) oder

n

(3b) vergleiche Fig. 3, wobei 2,2<c<3,5 (3c) und 0,30<d<0,65 (3d) sowie

(3f) Für die Gesamtzahl N der Elemente gilt: 4

AT 405 676 B

Mit Hilfe der Gleichungen (3a) beziehungsweise (3b) kann man nun nach Fig. 3 den Zusammenhang quantifizieren (c bedeutet die Steigung der Gerade 50 in der Fig. 3).

Bevorzugt wird (3h)

Lj.«! - 0.35 aus praktischen Erwägungen mit -0,90 < lg Vn. ret < 1,5 (3i) gewählt im Beispiel -0,80< lg Vn rel < 1,4 (3j)

In Fig. 4 wird beispielhaft der stufenweise Aufbau der Volumina V,re. bis V„re,, verteilt über die gesamte Länge Lges, dargestellt. Es ergeben sich schrittweise für 11 Llrel = 0,08 1.2 V,fB! = 103f00e·0·351 Vlrel = 0,155

Li, m s Lim + Lz^i = 0,45 L** = 0,37 V2re,= 1,995 L** = 0.25 V3fel= 11,220 L«rel = 0,30 V«re( = 25,120 mit 2.2 V2m = io3*0·45·0·35* entsprechend 3.1 3-2 Vam=10,<s und 4.1 4.2 V««, = 101'4 siehe Gl. 3j

Mit Hilfe der Gleichungen 2a und 2b können dann die Volumina und die Längen bestimmt werden, wenn VB und bekannt sind.

Umgekehrt ist es auch möglich, beispielhaft die Volumina des Lüftersystems V2 und der Gemischverteilung V3 vorab konstruktiv zu gestalten und dann nach Gleichung (3b) bezüglich der fehlenden Volumina Vi und V4 zu verfahren.

Weiterhin ist es nach dem beschriebenen Verfahren möglich, mehr als die beschriebenen vier Volumina auf der Strecke Lges zu verteilen. Dies ermöglicht es, kleinere "Volumensprünge" zu realisieren und konstruktiv zu gestalten.

Wenn, wie beispielhaft gezeigt, die Volumina nacheinander aufgebaut werden, so werden keine unerwünschten Geräuschemissionen im Bereich der Grundfrequenz bei Betrieb von Gebläsegeräten mit Flächenbrennern, also mit sogenannter "flacher Flamme" (wie z. B. Keramikbrenner), erwartet. Wählt man mehrere weitere Volumina, ist analog zu verfahren.

Wird ein Heizgerät gemäß Fig. 1 benutzt, das einen ansaugenden Lüfter im Abgasweg umfaßt, so bleibt bei der Berechnung der Volumina und der Strecken das Volumen des Abgasgebläses außer Betracht. Ansonsten wird bezüglich der Bestimmung der Volumina analog verfahren, wobei auch hier alle Volumina und Strecken stromab des Brenners außer Betracht bleiben. 5

Claims (2)

1. AT 405 676 B Mit Hilfe dieses Verfahrens werden insbesondere "Brummtöne" im Bereich der Grundfrequenz vermieden und auch deren Obertöne, wenn die Folge der Volumina mehr als vier aufeinanderfolgende Volumensprünge aufweist. Die Unterdrückung der Inhaltsemissionen gelingt, wenn die einzelnen Volumina der Gesamtstrecke in Durchströmrichtung des Luft- oder Gas-Luft-Gemisches ansteigen und wenn die Querschnitts-/Längenver-hältnisse Q/L, in Durchströmrichtung gesehen, größer werden oder gleichbleiben. Dieses Ansteigen kann kontinuierlich oder stufig an den Übergangsstellen der Volumina geschehen. Eventuell vorhandene Einengungen (Meßblenden) oder Erweiterungen (Flanschanschlüsse) der Querschritte sind unkritisch, wenn ihre Länge kurz (< 20 %) gegenüber den Längen der benachbarten Querschnitte sind. Patentansprü che 1. Verfahren zum Unterdrücken von störenden Schallemissionen bei einer Verbrennung eines Gas-Luft-Gemisches, welches über ein mit einer Luftansaugöffnung versehenes Ansaugrohr, ein Gebläse und eine Vormischstrecke einem Brenner mit einer Vormischhaube zugeführt wird, wobei das Gas der Luft entlang dieser Gesamtstrecke beigemischt wird und stromab des Brenners verbrennt, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumina der Bauteile entlang der Strecke vom Ansaugrohr bis zur Vormischhaube ansteigen und daß das Querschnitt-Längenverhältnis der Bauteile in Durchströmrichtung des Gas-Luft-Gemisches gleichfalls ansteigt oder gleichbleibt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstieg der Volumina nach der Beziehung n, rel = 10 n Σ i = I Ί, rel ansteigt, wobei c einen Faktor und d einen weiteren Faktor bedeuten. Hiezu 5 Blatt Zeichnungen 6