DE10100730C2

DE10100730C2 - Gasbrenner für einen Wassererhitzer

Info

Publication number: DE10100730C2
Application number: DE2001100730
Authority: DE
Inventors: Juergen Stoschek; Juergen Waidner; Walter Lehr
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-01-10
Filing date: 2001-01-10
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2021-01-11
Also published as: DE10100730A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasbrenner für einen Wasserer hitzer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Bei den bisher, wie beispielsweise aus der DE 199 05 781 A1 bekannten Konzepten von Gasbrennern mit Porenkörper wird ein voll vorgemischtes Gas-Luftgemisch in den porösen Körper ge leitet und dort verbrannt. Bei diesen Gasbrennern hat das Gas-Luftgemisch die für die Verbrennung gewünschte Luftzahl, so dass die gesamte Verbrennung bei dieser Luftzahl statt findet. Die Wassererhitzer sind bei diesen Porenkörperkon zepten als Brennwertgeräte ausgeführt, d. h. der im Abgas enthaltene Wasserdampf wird auskondensiert und damit die darin enthaltene Energiemenge zumindest teilweise genützt.

Die Verbrennung findet dabei in einem relativ kleinen Volu men statt. Dies ermöglicht eine kompakte Bauform der Wärme zelle. Die kompakte Bauform wirkt sich, aufgrund der sich einstellenden hohen Temperaturen, negativ auf die NOx- Emissionen aus. Niedrige NOx-Emissionen lassen sich bekannt lich durch niedrige Verbrennungstemperaturen erreichen. Bei den bekannten Porenkörperkonzeptionen wird eine niedrige Verbrennungstemperatur unter anderem durch Einführung einer hohen Luftzahl beim Gas-Luftgemisch erreicht. Hohe Luftzah len senken aufgrund des hohen Anteils an "Ballastluft" die Verbrennungstemperatur. Die hohen Luftzahlen wirken sich je doch nachteilig auf die Taupunkttemperatur und damit auf das Kondensationsverhalten im Wärmeübertrager aus, d. h. aufgrund einer abgesenkten Taupunktstemperatur sinkt der Anteil der durch Kondensation gewonnenen Wärme.

Aus der DE 44 40 494 A1 ist ein Wassererhitzer mit einem ka talytischen Gasbrenner bekannt, bei dem mindestens zwei hin tereinander geschaltete Katalysatoren vorgesehen sind. Zwi schen den Katalysatoren sind Mischkammern ausgebildet, in denen jeweils ein Teil des insgesamt zugeführten Brennstoffs zur Reaktion gebracht wird. Dabei wird die Luft dem Gesamt system zugeleitet und den Mischkammern und damit den einzel nen Katalysatoren der Brennstoff in Teilmengen gesondert partiell zugeführt.

Ein weiterer katalytischer Brenner geht aus der DE 195 44 417 A1 hervor, bei dem das Brenngas und ein Verbrennungsgas, beispielsweise Luft, über getrennte Zuführungen in den Kata lysator eingeleitet werden. Der Katalysator vereint mehrere Zonen, die wie ein Diffusionsbrenner mit Vormischung wirken.

Ein Brenner mit einem gestuften Verbrennungssystem ist aus der DE 195 23 093 A1 bekannt. Bei diesem gestuften Verbren nungssystem wird einer ersten Verbrennungsstufe zunächst ein Brennstoff-Luftgemisch zugeführt, dessen Luftzahl größer als die Gesamtluftzahl des Verbrennungssystems ist. Die Verbren nungsgase dieser ersten Verbrennungsstufe werden mit einem weiteren Brennstoff-Luftgemisch vermischt, dessen Luftzahl kleiner als die Gesamtluftzahl des Verbrennungssystems ist, bevor die weitere Verbrennung der zweiten Stufe stattfindet.

Aus der US 5,080,577 ist ein weiterer Brenner mit einem ge stuften Verbrennungssystem und mit einem porösen Brennkör pern bekannt. Eine erste Verbrennungsstufe ist mit einer er sten Brennstoff- und Luftzuführung und eine zweite Verbren nungsstufe mit einer zweiten Brennstoff- und Luftzuführung versehen. Die Verbrennungsstufen enthalten dabei poröse Brennkörper, in denen die Verbrennung stattfindet.

Da bei Brennwertgeräten die Rücklauftemperatur des Heizkrei ses nicht beliebig gesenkt werden kann, gibt es bei Geräten, die mit hohen Luftzahlen arbeiten, höhere Betriebspunkte, in denen die Auskondensation des im Abgas enthaltenen Wasser dampfes nur unzureichend erfolgt.

Die Nachteile der bekannten Systeme, die mit hohen Luftzah len arbeiten, sind zusammengefasst, folgende:

a) erforderliche niedrige Rücklauftemperaturen
b) geringe Kondensationsrate und
c) niedriger Wirkungsgrad.

Hinzu kommt, dass für den Betrieb mit hoher Luftzahl ein starkes Gebläse für das Gas-Luftgemisch erforderlich ist, was sich in höheren Kosten, größerem Energieverbrauch, höhrem Betriebsgeräusch und größerem Bauvolumen aus wirkt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Gasbrenner der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der mit niedriger Gesamt-Luftzahl des Gas-Luftgemisches unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass der Einströmseite des Porenkörpers ein Gas-Luftgemisch mit hoher Luftzahl und zumindest einem von der Einströmseite weiter entfernten Bereich ein zusätzliches Gas-Luftge misch mit kleinerer Luftzahl oder reines Brenngas zuführbar sind.

Mit dieser abgestuften Gas-Luftgemisch-Zuführung in verschiedene Bereiche des Porenbrenners wird eine niedrige Gesamt-Luftzahl erreicht, durch die folgende Vorteile des Gasbrenners erreicht werden:

a) Vermeidung von Temperaturen, bei denen thermisches NOx entsteht,
b) gleichmäßige Temperaturbelastung des Porenbrenners,
c) große Lebensdauer des Porenkörpers aufgrund der niedrigeren Temperaturen,
d) hoher Wirkungsgrad,
e) gutes Kondensationsverhalten und
f) kleineres, schwächeres und damit kostengünstigeres Gebläse mit reduziertem Betriebsgeräusch.

Bei dieser abgestuften Gas-Luftgemisch-Zuführung liegt die erste Reaktionszone im Bereich im Anschluss an die Rückschlagsicherung.

Dort reagiert ein großer Teil des Gas-Luftgemisches mit hoher Luftzahl bei niedriger Temperatur und kleinen Emissionen. Die Zumischung eines Gas- Luftgemisches mit niedriger Luftzahl oder reines Brenngas im Bereich des Porenkörpers, die weiter entfernt von der Einströmseite des Porenkörpers sind, bringt bei entsprechendem Anteil insgesamt eine niedrigere Gesamt-Luftzahl. Dieses zusätzlich eingeführte Gas-Luftgemisch mit niedriger Luftzahl reagiert mit verbleibendem Sauerstoff aus dem Bereich des an die Einströmseite anschließen den Bereich des Porenkörpers ebenfalls bei relativ niedrigen Temperaturen, da ein nicht unerheblicher Anteil an ausreagiertem Gas-Luftgemisch vorliegt und dieser nicht mehr an der Verbrennung teilnimmt. Das aus dem ersten Bereich des Porenkörpers weitergelangende Gas-Luft-Abgasgemisch hat einen Teil seiner Energie bereits über die Festkörperstrahlung des Porenkörpers an die gekühlte Brennkammerwand und damit an das durchfließende Wasser abgegeben und ist somit leicht gekühlt, bis die zweite Stufe der Reaktion beginnt.

Um die Zuführung im Wesentlichen nur in die dem Einströmbereich folgenden Bereiche des Porenkörpers beschränkt bleibt, kann nach einer Aus gestaltung vorgesehen sein, dass die Einspeiseröhrchen in dem an die Ein strömseite anschließenden Bereich nicht porös und in den in Strömungsrichtung folgenden Bereichen porös ausgebildet sind oder dass die Einspeiseröhrchen in den Bereichen des Porenkörpers mit Austrittsöffnungen versehen sind, deren Anzahl und/oder Größe mit zunehmendem Abstand von der Einströmseite des Porenkörpers zunehmen.

Die Gaszuführeinrichtungen für die zweite oder weitere Verbrennungsstufen sind so auszuführen, dass sie eine möglichst homogene Zumischung erlauben. Eine homogene Zumischung ist die Voraussetzung für niedrige Emissionen.

Alternativ zu den beschriebenen Röhrchen können beispielsweise auch µ-struk turierte Netzstrukturen eingesetzt werden. Diese werden flächig in den Poren körper quer zur Strömungsrichtung eingelegt. Die genannten Netzstrukturen sind hohl ausgebildet und sind mit einer Vielzahl von Öffnungen versehen. Über diese tritt das Brenngas bzw. das Gas/Luftgemisch aus und ermöglicht eine homogene Zumischung.

Vorzugsweise wird ein hochporöser Porenkörperer, wie ein Drahtgewirk- bzw. Gestrick-Brennkörper, verwendet. Die Brennkammer ist als Luft-Wasser-Wär metauscher für Heizungs- und/oder Brauchwasser ausgebildet.

Die Erfindung wird anhand eines im Längsschnitt dargestellten Gasbrenners näher erläutert.

Ein Gas-Luftgemisch GLh mit hoher Luftzahl von z. B. λ = 1,6 wird über eine Vorkammer 11 und eine Rückschlagsicherung 15 der Einströmseite eines zylin derförmigen Porenkörpers 10, z. B. eines Drahtgestrick-Körpers, zugeführt. Der Porenkörper 10 ist von einer wassergekühlten Brennkammer 12 umgeben, die als Luft-Wasser-Wärmetauscher für Heiz- und/oder Brauchwasser ausgebildet sein kann. Das dem Porenkörper 10 zugeführte Gas-Luftgemisch oder reine Brenngas wird über eine Zündeinrichtung 30 gezündet. Ein Anteil eines Gas- Luftgemisches GLz mit niedrigerer Luftzahl von z. B., λ = 1,3 wird den dem Einströmbereich 10.1 des Porenkörpers 10 folgenden Bereiche 10.2 und 10.3 zugeführt, so dass eine Gesamt-Luftzahl von z. B. λ = 1,1 erreicht wird. Das aus der Brennkammer 12 austretende Abgas AG gelangt über einen Abgas-Wärme tauscher 14 in ein Abgas-Auslasssystem 13, nachdem es die enthaltene Wärme an das den Abgas-Wärmetauscher 4 durchfließende Wasser abgegeben hat.

Das Gas-Luftgemisch GLz mit niedriger Luftzahl oder das Brenngas wird über ein Röhrchensystem in die Bereiche 10.2 und 10.3 des Porenkörpers 10 eingeführt.

Über ein Verteilerröhrchen 20 gelangt das Gas-Luftgemisch GLz in die Vorkammer 11 und über die abzweigenden Einspeiseröhrchen 21 in den Poren körper 10. Die Einspeiseröhrchen 21 reichen bis in die Bereiche 10.2 und 10.3 des Porenkörpers 10. Sie sind durch die Rückschlagsicherung 15 hindurch geführt und im Bereich der Rückschlagsicherung 15 und des Einströmbereiches 10.1 des Porenkörpers 10 nicht porös und in den Bereichen 10.2 und 10.3 des Porenkörpers porös, damit das zugeführte Gas-Luftgemisch GLz hier ausströmen und mit dem aus dem Einströmbereich 10.1 austretenden Gas-Luft-Abgasge misch verbrannt werden kann.

Die Einspeiseröhrchen 21 des Verteilerröhrchens 20 können auch mit Aus trittsöffnungen versehen sein, deren Anzahl und/oder Größe mit zunehmendem Abstand von der Einströmseite des Porenkörpers 10 zunehmen. Die Einspeise röhrchen 21 können auch unterschiedlich weit in den Porenkörper 10 hinein geführt werden und so in unterschiedlichen Bereichen des Porenkörpers 10 enden.

Der Abgas-Wärmetauscher 14 ist von einem die Brennkammer 12 abschließen den Gehäuseteil 13 abgeschlossen, das in einem Abgas-Auslass endet.

Claims

1. Gasbrenner für einen Wassererhitzer mit einem in einer wassergekühlten Brennkammer angeordneten Porenkörper, dessen Einströmseite über eine Vorkammer mit Rück schlagsicherung ein Gas-Luftgemisch mit hoher Luftzahl (z. B. 1,6) als Brennstoff zuführbar ist, und mit zumin dest einem von der Einströmseite weiter entfernten Be reich, dem ein zusätzliches Gas-Luftgemisch mit kleinerer Luftzahl (z. B. 1,3 bzw. 1,1) oder ein reines Brenngas zu führbar ist, wobei die bei der Verbrennung entstehenden Abgase aus der Brennkammer über einen Abgas-Wärmetauscher in ein Abgas-Auslass-System gelangen, dadurch gekenn zeichnet, dass ein durch die Rückschlagsicherung (15) hindurch geführtes Röhrchensystem vorgesehen ist, das bis in den entfernten Bereiche (10.2; 10.3) des Porenkörpers (10) reicht, und dass über das Röhrchensystem das zusätz liche Gas-Luftgemisch mit kleinerer Luftzahl oder das reine Brenngas dem entfernten Bereich (10.2; 10.3) des Porenkörpers (10) zuführbar ist.

2. Gasbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Röhrchensystem ein in eine Vorkammer (11) eingeführ tes Verteilerröhrchen (20) aufweist, an dem durch die Rückschlagsicherung (15) hindurch geführte Einspeiseröhr chen (21) abzweigen.

3. Gasbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeiseröhrchen (21) in dem an die Einströmseite anschließenden Bereich (10.1) nicht porös und in den in Strömungsrichtung folgenden Bereichen (10.2; 10.3) porös ausgebildet sind.

4. Gasbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeiseröhrchen (21) in den Bereichen (10.1; 10.2; 10.3) des Porenkörpers (10) mit Austrittsöffnungen verse hen sind, deren Anzahl und/oder Größe mit zunehmendem Ab stand von der Einströmseite des Porenkörpers (10) zuneh men.

5. Gasbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als hochporöser Porenkörper (10) ein Drahtgestrick- Brennkörper oder eine µ-strukturierte Netzstruktur, die quer zur Strömungsrichtung verläuft, verwendet ist.

6. Gasbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (11) als Luft-Wasser-Wärmetauscher ausge bildet ist.