Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein brennstoffbeheiztes Heizgerät zum Unterdrücken von Schallemissionen bei der Verbrennung eines Brenngas-Luft-Gemisches gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Brennstoffbeheizte Heizgeräte sind in einer Vielzahl von Varianten, insbesondere als Umlaufwasserheizer, bekannt geworden. 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 oben liegenden, 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 fördert, 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 platziert wird.
Aus M. Heckl und H. 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-PS 2 263 471. 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.
Der vorliegenden Erfindung liegt mithin die Aufgabe zu Grunde, allgemein wirksame Massnahmen zu treffen, die solche Geräusche bei Brennern erst gar nicht entstehen lassen, sodass der Betrieb der Heizgeräte auch in Wohnräumen möglich wird.
Die Lösung der Aufgabe gelingt bei einem brennstoffbeheizten Heizgerät der eingangs näher bezeichneten Art erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 oder 3.
Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem abhängigen Patentanspruch.
In den nachfolgend abgehandelten Fig. 1 bis 5 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 dicht ausgeführt ist mit Ausnahme einer \ffnung 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 \ffnung 8 entsprechend dem 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 \ffnung 12 in den Innenraum des Luftkanals 9, der somit stromab der \ffnung 12 als Gas-Luft-Gemisch-Kanal 13 aufzufassen ist.
Das der \ffnung 8 abgewandte Ende des Gemischkanals gelangt in einen Innenraum 14 einer Brennerhaube 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 (\lbrenner).
Die Brennerhaube 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 Brennerhaube 15 und der Aussenwandung 19 und 21 von Brennkammer und Wärmetauscher zylindrisch, keglig oder polygon sein kann. Infrage 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 Gebläse 31. Der Druckstutzen 32 des Gebläses 31 ist mit der Abgaslei tung 4 verbunden. Das Wort Gebläse steht für jede Bauform, die Luft unter Druck einem Brenner zuführt oder seine Abgase unter Unterdruck absaugt.
Die Variante der Erfindung gemäss Fig. 5 besteht darin, dass das Gebläse 31 nunmehr im Zuluftweg angeordnet ist, sodass also das Gemisch aus vergastem Brennstoff und Luft unter Druck - und nicht unter Unterdruck 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 bei A entsprechend dem Lufteinlass 8 in Fig. 1 schliesst sich ein erstes Volumen V1 mit einem Querschnitt Q1 an, das bis zum Ort des Gebläses 31 reicht. Dieses Volumen erstreckt sich längs einer Strecke L1, wobei der Querschnitt Q1 über die Länge L1 im Wesentlichen konstant bleibt. Das Gebläse 31 selbst stellt ein Volumen V2 dar, das unmittelbar an V1 anschliesst. Dieses Volumen V2 besitzt einen Querschnitt Q2, der als konstant angesehen wird.
Somit ergibt sich innerhalb des Gebläses eine Streckenlänge L2, 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 Q4, der variabel ist, definiert, das sich längs der Strecke L4 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 Bren ners, 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, deren 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 mit einem Gebläse versehenen Brennern können unerwünschte heftige Schwingungen im hörbaren Bereich auftreten, die von der Brennerbelastung, der Gasart, der Luftzahl, insbesondere im Anfahrzustand, wenn das Gerät selbst noch nicht gleichmässig erwärmt ist, abhängig sind.
Abhilfe beschränkte sich zumeist auf so genannte "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 so genannte Flächenbrenner (z.B. Keramikbrenner), es ist jedoch möglich, auch andere Brennersysteme mithilfe der folgenden Zusammenhänge zu betrachten.
Nach Fig. 2 stehen beispielhaft die vier wesentlichen Volumina, Ansaugung V1 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 = Lgesamt 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 < V4 (1)
Weiterhin soll für das Verhältnis des Volumens der Ansaugung V1 zum Brennervolumen VB gelten:
V1 : VB = V1rel
bzw. allgemein für das Element n
Vn : VB = Vn,rel (2a)
Entsprechendes gilt für V2, V3 und V4; V1rel bis V4rel sind jeweils ein Vielfaches von VB. Die zu den Volumina V1 bis V4 gehörigen Streckenabschnitte L1 bis L4 werden gleichermassen definiert: L1rel bis L4rel sind ein Vielfaches von Lges, wobei Lges die Summe von L1+ L2 + L3 + L4.
Es ist also:
L1 : Lges = L1rel
bzw. für das Element n
Ln : Lges = Ln,rel (2b)
Es hat sich nun aus einer Vielzahl von Versuchen über den Zusammenhang der Volumina V1rel bis V4rel und ihre Verteilung auf die Strecken L1rel bis L4rel Folgendes ergeben:
EMI7.1
(3a)
wobei c und d jeweils Konstanten sind,
wobei
2,2 < c < 3,5 (3b)
und
0,30 < d < 0,65
(3c)
Hieraus folgt
EMI7.2
(3d)
vergleiche Fig. 3 und 2 sowie
EMI7.3
(3f)
Für die Gesamtzahl N der Elemente gilt:
EMI8.1
(3g)
Mithilfe der Gleichungen (3a) beziehungsweise (3d) kann man nun nach Fig. 3 den Zusammenhang nach Gleichung (1) quantifizieren (bedeutet die Steigung der Gerade 50 in der Fig. 3).
Bevorzugt wird
EMI8.2
(3h)
aus praktischen Erwägungen mit
- 0,90 < lg Vn,rel < 1,5 (3i)
gewählt im Beispiel
- 0,80 < lg Vn,rel < 1,4 (3j)
In Fig. 4 wird beispielhaft der stufenweise Aufbau der Volumina V1rel bis V4rel, verteilt über die gesamte Länge Lges, dargestellt. Es ergeben sich schrittweise:
EMI8.3
Mithilfe der Gleichungen 2a und 2b können dann die Volumina und die Längen bestimmt werden, wenn VB und Lges 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 V1 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 so genannter "flacher Flamme" (wie z.B. Keramikbrenner), erwartet. Wählt man mehrere weitere Volumina, ist analog zu verfahren.
Wird ein Heizgerät gemäss Fig. 1 benutzt, das ein ansaugendes Gebläse 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.
Mithilfe dieses Verfahrens werden insbesondere "Brummtöne" im Bereich der Grundfrequenz vermieden und auch deren Obertöne, wenn die Folge der Volumina mehr als vier aufeinander folgende Volumensprünge aufweist.
Die Unterdrückung der Schallemissionen gelingt, wenn die einzelnen Volumina der Gesamtstrecke in Durchströmrichtung des Luft- oder Gas-Luft-Gemisches ansteigen und wenn die Querschnitts-/Längenverhältmisse Q/L, in Durchströmrichtung gesehen, grösser werden oder gleich bleiben. Dieses Ansteigen kann kontinuierlich oder stufig an den Übergangsstellen der Volumina geschehen.
Eventuell vorhandene Einengungen (Messblenden) oder Erweiterungen (Flanschanschlüsse) der Querschnitte sind unkritisch, wenn ihre Länge kurz (< 20%) gegenüber den Längen der benachbarten Querschnitte sind.