DE10010762C2 - Atmosphärischer Gasbrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen atmosphärischen Gasbrenner gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige auch als Injektorbrenner bezeichnete Atmosphärische Gasbrenner sind allgemein bekannt und haben sowohl zur Brauchwasser- als auch zur Heizwassererwärmung eine weite Verbreitung gefunden. Das Ziel bei der Weiterentwicklung dieser ohne Wasserkühlung auskommenden Gasbrenner besteht darin, den Schadstoffgehalt der Abgase, insbesondere den NO_X-Gehalt weiter zu verringern.

Aus der EP 769 655 ist ein atmosphärischer Gasbrenner mit mehreren, parallel nebeneinander angeordneten Brennerelementen mit einem Mischkörper und einer Brennerplatte mit Gemischaustrittsöffnungen bekannt. Die Brennerplatte ist im Wesentlichen halbzylinderförmig gewölbt ausgeführt und als aufsteckbare Einheit mit dem Mischkörper verbunden. Der Mischkörper besitzt zwei Mischrohre, die jeweils den Strömungsquerschnitt verengende, deltaförmige Einschnürungen aufweisen, die in die aus Blechelementen gebildeten Mischrohre eingeformt sind. In den Blechelementen sind ferner Öffnungen vorhanden, in denen Kühlrohre zum Küh­ len der Brennerelemente geführt sind.

Aus der FR 2 730 793 A1 ist ein Brenner mit einem Bren­ nerelement bekannt, dass zwei nebeneinanderliegende Injekto­ ren mit zwei zueinander geneigten Mischrohren aufweisen.

In dem Aufsatz Koopmann, F. P. "Development of an atmospheric low-NOx box burner (prototype) with a perforated ceramic fi­ bre plaque from GES", Sub-Report Domestic Boiler Burners N. V. Nederlandse Gasunie, Technical Research TR/O 95.R.1501, 28. Febr. 1995, werden die Zusammenhänge zwischen der Ausge­ staltung des Mischrohrbereichs, der Schadstoffentstehung und Wärmebelastung für ein Brennerelement eines atmosphärischen Brenners dargestellt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen atmosphärischen Gasbren­ ner ohne Wasserkühlung zu schaffen, der bei einem Modulati­ onsbereich größer 1 : 2,5 eine hohe Verbrennungsstabilität und eine geringe NO_X-Emission besitzt.

Der erfindungsgemäße atmosphärische Gasbrenner mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine Primärluftzahl von 0,5 bis 1,0 erreicht wird. Die er­ findungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen es, dass ohne eine zu­ sätzliche Wasserkühlung eine Reduktion der NO_X-Abgaswerte bis auf 20 mg/kWh erzielbar ist. Durch den optimierten Ab­ stand der Brennerelemente und dem dazwischen ausgebildeten Spalt wird über den gesamten Modulationsbereich des Gasbren­ ners eine ausreichende Sekundärluftzuführung und eine vollständige Verbrennung gewährleistet. Die Strömungsbedin­ gungen der Sekundärluft realisieren außerdem eine Kühlung der Brennerelemente, insbesondere im Bereich der Brenner­ platte bzw. Brennerzone. Gleichzeitig ist dadurch die ther­ mische Beanspruchung des Materials des Brennerelements ge­ ringer.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands des Hauptan­ spruchs möglich. Eine homogene Mischung von Brenngas und Luft wird über die Geometrie der Mischrohre erzielt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine Ansicht der Breitseite eines Brennerelements, Fig. 2 eine Ansicht der Schmalseite des Brennerelements in Fig. 1, Fig. 3 eine Schnittdarstellung durch das Brennerelement in Fig. 1 nach der Linie III-III, Fig. 4 einen Teilschnitt durch zwei benachbarte Brennerelemente, Fig. 5 eine Ansicht der Breitseite eines Brennerelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, Fig. 6 eine Ansicht der Schmalseite des Brennerelements in Fig. 5 und Fig. 7 eine Schnittdarstellung durch das Brennerelement in Fig. 5 nach der Linie VII-VII.

Fig. 1 zeigt ein Brennerelement 10 eines nicht näher dargestellten atmosphärischen Gasbrenners. Der atmosphärische Gasbrenner besteht aus einer Anzahl von parallel nebeneinander angeordneten Brennerelementen 10. Über die Anordnung einer entsprechenden Anzahl von Brennerelementen 10 läßt sich die Brennerleistung beliebig erhöhen.

Das Brennerelement 10 hat ein aus zwei schalenförmigen Blechhälften 11, 12 gebildetes Gehäuse 14 sowie brennraumseitig eine als Firstleiste ausgebildete Brennerplatte 16 mit Gemischaustrittsöffnungen 18, wobei im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, 2 und 3 die Brennerplatte 16 gewölbt ausgebildet ist.

Jedes Brennerelement 10 weist zwei Mischrohre 20 (Injektoren) mit jeweils einer Lufteintrittsöffnung 21, einem Strömungskanalabschnitt 23 und einem Diffusorabschnitt 25 auf. Der Strömungskanalabschnitt 23 weist an einer Stelle 35 den engsten Querschnitt des Mischrohres 20 auf. Die Lufteintrittsöffnungen 21 dienen zum Einleiten von Primärluft, wobei jeder Lufteintrittsöffnung 21 eine Gasdüse 27 zugeordnet ist. Über die Gasdüse 27 wird das Brenngas in das Mischrohr 20 eingedüst.

Ab der Stelle 35 erweitert sich der Strömungskanalabschnitt 23 zum Diffusorabschnitt 25 hin leicht konisch. An den Strömungskanalabschnitt 23 schließt sich in Strömungsrichtung des Brenngas-Luft-Gemischs der Diffusorabschnitt 25 an. Die Diffusorabschnitte 25 verbreitern sich jeweils symmetrisch zu einer durch die Mittellinie der Mischrohre 18 verlaufenden Ebene 28 in Richtung der Breitseite des Brennerelements 10 kontinuierlich in Form einer parabelähnlichen Erweiterung 29. Die Erweiterung 29 des einen Mischrohres vereinigt sich mit der Erweiterung 29 des benachbarten Mischrohres an einer Stelle 31, so dass beide parabelähnlichen Erweiterungen 29 in eine gemeinsame Verteilkammer 30 münden. Die Verteilkammer 30 ist der Brennerplatte 16 und den Gemischaustrittsöffnungen 18 vorgeschaltet und erstreckt sich im Wesentlichen über die Ausdehnung der Brennerplatte 16.

Die Diffusorabschnitte 25 weisen jeweils gemäß Fig. 3 eine den Querschnitt in Bezug auf die Schmalseite des Brennerelements 10 verengende Einschnürung 32 auf, die im Wesentlichen symmetrisch zu einer durch die Mittellinie verlaufenden Ebene 33 ausgebildet ist. Links und rechts von der Einschnürung 29 bilden sich zwei Diffusorkanäle 40 aus, deren Strömungsquerschnitte größer sind als der Strömungsquerschnitt der Einschnürung 29 an einer beliebigen Stelle. Dadurch wird eine gleichmäßige Gemischverteilung in der Verteilkammer 30 über die gesamte Erstreckung der Gemischaustrittsöffnungen 18 erzielt.

Wesentlich ist, dass die Fläche der Gemischaustrittsöffnungen 18 und die Strömungsverhältnisse des Brenngas-Luft-Gemischs in den beiden Mischrohren 20 so aufeinander abgestimmt sind, dass die Wärmebelastung an den Gemischaustrittsöffnungen 18 der Brennerplatte 16 ≦ 300 W/cm² beträgt. Zur Erzielung der geringen Flächenbelastung bzw. Wärmebelastung an den Gemischaustrittsöffnungen 18 der Brennerplatte 16 wurden die Gemischaustrittsöffnungen 18 und die Mischrohre 20 entsprechenden dimensioniert, wobei die Fläche der Gemischaustrittsöffnungen 18 etwa dem 3-5fache der gesamten Querschnittsfläche der Mischrohre 20 an der engsten Stelle 35 entspricht. Durch diese geometrischen Bedingungen wird Einfluß auf die Strömungsgeschwindigkeit des Brenngas-Luft-Gemisches in den Mischrohren 20 genommen, wobei eine höhere Strömungsgeschwindigkeit des Brenngas- Luft-Gemisches eine höhere Flächenbelastung bzw. Wärmebelastung bedeutet. Außerdem beträgt bei dem in Fig. 1 dargestellten Brennerelement 10 die Breite B etwa dem 1,5- 2fache der Höhe H. Die Auslegung ermöglicht zudem ein deutlich geringere Gesamthöhe H gegenüber vollvormischenden Gasbrennern

Es würde weiterhin ermittelt, dass eine homogene Mischung von Brenngas und Primärluft vom Verhältnis von Mischrohrlänge L und Mischrohrquerschnitt abhängt, wobei die Mischrohrlänge L etwa das 4-5fache des Durchmessers an der engsten Stelle 35 des Mischrohres 20 beträgt.

Einen Ausschnitt von zwei nebeneinander angeordneten Brennerelementen 10 zeigt Fig. 4. Zwischen den Brennerelementen 10 ist ein Spalt 34 zur Zuführung von Sekundärluft mit einer Breite X ausgebildet, wobei die Breite X etwa 1/2 bis 1/5 der Tiefe Y der Brennerplatte 16 beträgt. Aufgrund dieser Dimensionierung wird über den gesamten Modulationsbereich des atmosphärischen Gasbrenners eine ausreichende Sekundärluftzuführung erzielt, wodurch eine vollständige Verbrennung gewährleistet wird. Über die Sekundärluftzuführung findet außerdem eine Kühlung des Brennerelements 10, insbesondere im Bereich der Brennerplatte 16 statt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Brennerelements 10 zeigen die Fig. 5, 6 und 7, wobei gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Hierbei ist die Brennerplatte 16 eben ausgebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 ist der den Querschnitt im Bereich der Erweiterung 29 verengende Abschnitt von der Schmalseite des Brennelements 10 betrachtet als ein verengender Kanal 36 ausgebildet, der symmetrisch zu der durch die Mittellinie der Mischrohre 20 verlaufenden Ebene 33 ausgebildet ist. Über die Breitseite des Brennerelements 10 weist der verengende Kanal 36 eine deltaförmige Aufweitung 38 auf, die symmetrisch zu der durch die Mittellinie verlaufenden Ebene 28 ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel bildet sich links und rechts vom verengenden Kanal 36 zwei Diffusorkanäle 40 aus, deren Strömungsquerschnitte größer ist als der Strömungsquerschnitt des verengenden Kanals 36 an einer beliebigen Stelle.

Claims (7)

1. Atmosphärischer Gasbrenner mit mehreren, im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten Brennerelementen mit minde­ stens zwei Mischrohren und einer Brennerplatte mit Ge­ mischaustrittsöffungen, wobei die Mischrohre über Gasdüsen und Lufteintrittsöffnungen mit einem Brenngas-Luft-Gemisch gespeist sind, wobei die Wärmebelastung an den Ge­ mischaustrittsöffnungen der Brennerplatte ≦ 300 W/cm² be­ trägt, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Ge­ mischaustrittsöffnungen (18) dem 3-5fachen des Querschnitts der beiden Mischrohre (20) an der engsten Stelle (35) ent­ spricht, dass zwischen den Brennerelementen (10) ein Spalt (34) zur Zuführung von Sekundärluft ausgebildet ist und dass die Breite (X) des Spalts (34) 1/2 bis 1/5 der Tiefe (Y) des Brennerelements (10) beträgt, wobei eine Primärluftzahl von 0,5 bis 1,0 erreicht wird.

2. Atmosphärischer Gasbrenner nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Breite (B) des Brennerelements (10) dem 1,5-2fachen der Höhe (H) des Brennerelements (10) ent­ spricht.

3. Atmosphärischer Gasbrenner nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Mischrohrlänge (L) dem 4-5fache des Durchmessers des Mischrohres (20) an der engsten Stelle (35) entspricht.

4. Atmosphärischer Gasbrenner nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Mischrohre (20) jeweils bezüglich der Breitseite des Brennerelements (10) einen sich erweiternden Diffusorabschnitt (25) aufweisen und dass der Diffusorab­ schnitt (25) bezüglich der Schmalseite des Brennerelements (10) einen den Querschnitt (20) verengenden Abschnitt (32, 36) aufweist.

5. Atmosphärischer Gasbrenner nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass an der Breitseite des Brennerelements (10) seitlich an dem verengenden Abschnitt (32, 36) jeweils zwei Diffusorkanäle (40) vorbeigeführt sind, wobei der Quer­ schnitt der beiden Diffusorkanäle (40) größer ist als der Querschnitt des verengenden Abschnitts (32, 36) an einer be­ liebigen Stelle.

6. Atmosphärischer Gasbrenner nach Anspruch 4 oder 5, da­ durch gekennzeichnet, dass der verengende Abschnitt als Ein­ schnürung (32) ausgebildet ist.

7. Atmosphärischer Gasbrenner nach Anspruch 4 oder 5, da­ durch gekennzeichnet, dass der verengende Abschnitt an der Schmalseite des Brennerelements (10) als ein flacher Kanal (36) ausgebildet ist, der sich an der Breitseite in Strö­ mungsrichtung des Brenngas-Luft-Gemischs deltaförmig erwei­ tert.