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Die
Erfindung bezieht sich auf ein gasbeheiztes Wärmegerät mit mindestens einem atmosphärischen
Gasbrenner, der innerhalb eines nahezu oder komplett geschlossenen
Verbrennungsraumes angeordnet ist und dem ein voll-vormischendes Gas/Luft-Zufuhrsystem
mit einer Brenngas-Einschussdüse
zugeordnet ist, dessen Einlass für
das Brenngas und die Verbrennungsluft außerhalb des Verbrennungsraumes
am Wärmegerät angeordnet ist.
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Solche
gasbeheizten Wärmegeräte, auf
welche sich die Erfindung bezieht, sind typischerweise gasbeheizte
Warmwasserbereiter oder gasbeheizte Heizungsgeräte, wie für Industrieheizungen und Kamine
im Haushaltsbereich.
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Gasbeheizte
Warmwasserbereiter sind in manigfaltigen Ausführungsformen und Leistungsstufen
bei verschiedenen Anwendungen sowohl auf dem privaten als auch auf
dem industriellen Sektor im Gebrauch.
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Solche
gasbeheizten Warmwasserbereiter dienen beispielsweise zur Bereitstellung
von warmem Brauchwasser oder Warmwasser für Heizungen in Haushalten oder
im industriellen Bereich.
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Eine
besondere Form derartiger gasbeheizter Warmwasserbereiter stellen
die sogenannten in USA gängigen „Water
Heater" dar, die
typischerweise das Duschwasser in Werkstätten oder dergleichen bereitstellen.
Beispielsweise wird in der
US 4,953,510 ein
solcher „Water
Heater" beschrieben, der
aus einem Speichertank zum Speichern von erhitztem Wasser besteht.
Dieser Water Heater ist wiederum mit Einrichtungen zum Erhitzen
des Wassers kombiniert. Die dabei am häufigsten verwendete Einrichtung
zum Erhitzen des gespeicherten Wassers ist die, bei der ein offen
liegender atmosphärischer
Gasbrenner bewirkt, dass die heißen Abgase einschließlich ihrer
Verbrennungsprodukte gegen den Boden des Wasserspeichers gelangen
und schließlich
durch ein langes Abgasrohr aufsteigen, welches sich durch den Mittelabschnitt
des Speichertanks erstreckt. Bei diesem Typ eines Water Heaters
treten die im Abgasrohr nach oben strömenden heißen Gase mit den Innenflächen des
Rohres in Kontakt, während
das Wasser im Speichertank mit der Außenfläche des Rohres in Kontakt steht.
Während
die Verbrennung fortschreitet, wird das Wasser innerhalb des Speichertanks
durch Wärmeleitung über die
Wand des Abgasrohres erhitzt. Bei diesem Typ des Water Heaters ist
normalerweise noch eine Längstrennwand
innerhalb des Abgasrohres angeordnet, um den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung
von den heißen Verbrennungsgasen über die
Wand des Abgasrohres auf das Wasser innerhalb des Speichertanks
zu verbessern. Weiterhin kann solch ein Water Heater ein thermisch
aktiviertes Ventil aufweisen, das die Verbrennung des Gasbrenners
stoppt, wenn die Temperatur des Wassers innerhalb des Speichers
eine vorgegebene Temperatur erreicht.
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Um
sowohl während
der Erhitzung des Wassers als auch nach dem Stoppen des Verbrennungsvorganges
Wärmeverluste
aus dem Water Heater zu reduzieren, ist die Außenfläche des Speichertanks typischerweise
mit einem Wärmeisolationsmaterial abgedeckt.
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Eine
zunehmende Verschärfung
der Gesetzgebung hinsichtlich Vermeidung von Unfällen, wenn insbesondere entflammbare
Dämpfe
in den offenen Verbrennungsbereich gelangen, sowie hinsichtlich Verbesserung
der Abgaswerte, führen
zu einer Entwicklung auf dem Feld der Water Heater, die einen nahezu
komplett geschlossenen Verbrennungsraum (Brennkammer) vorsieht,
in welchem ein vollvormischender Gasbrenner, ein sogenannter Pre-Mix-Brenner,
angeordnet ist.
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Ein
derartiger Water Heater wird in der
US 5,875,
739 beschrieben. Den Aufbau und die Anordnung des Pre-Mix-Brenners
in dem geschlossenen Brennraum zeigt die
4 der vorliegenden Anmeldung, die der
vorgenannten US-Schrift entnommen ist. Diese Figur zeigt einen Ausschnitt
aus einem Water Heater mit einem Wassertank
1 und einem
nahezu geschlossenen Brennraum
2, an dem ein Abgasrohr
3 angeschlossen
ist, das sich mittig durch den Wassertank
1 erstreckt.
Brennraum
2 und Wassertank
1 sind durch Wärmeisolationen
4 thermisch
gegenüber
der Umgebung isoliert. Im Brennraum
2 ist ein atmosphärischer
Pre-Mix-Brenner
5 angeordnet, bestehend aus einer Mischkammer
6 und
einer sphärisch
ausgebildeten Brennermatte
7. An die Mischkammer
6 ist
ein Venturi-Rohr
8 angeschlossen,
das sich durch die Wärmeisolation
4 hindurch
bis an die Außenfläche des
Water Heaters erstreckt. Innerhalb der dabei gegebenen Außenöffnung
9 ist
eine Düse
10 für die Zufuhr
des Brenngases angeordnet. Beim Einströmen des Gases in das Venturi-Rohr
8 wird aufgrund
der strömungstechnischen
Wirkung dieses Rohres Primärluft über die
Außenöffnung
9 angesaugt,
die dann in der Mischkammer
6 mit dem Brenngas durch Verwirbelung
weiter vermischt wird.
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Eine
weitere Ausbildung eines Water Heaters mit einem vollvormischenden
atmosphärischen Gasbrenner
ist durch die US 2003/0111 023 A1 bekannt geworden. Der daraus bekannte
Gasbrenner 5 mit einer ebenen rechteckigen Brennermatte 7 ist
in 5 der vorliegenden
Anmeldung dargestellt, die der vorgenannten US-Schrift entnommen worden ist. Diese
Figur zeigt die Mischkammer 6 mit dem angeformten Venturi-Rohr 8 einschließlich der
Zuführung 10 für das Brenngas
und die Zuführungen 9 für die Primärluft.
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Es
hat sich gezeigt, dass bei vorgenannten gasbeheizten Wärmegeräten mit
einem atmosphärischen,
voll-vormischenden Gasbrenner in einem nahezu komplett geschlossenen
Verbrennungsraum, es zu Druckverhältnissen im Verbrennungsraum kommt,
die Resonanzen erzeugen, die das System in Schwingungen versetzen.
Diese Resonanz-Schwingungen haben mit Nachteil zur Folge, dass
- – keine
stabile bzw. homogene Verbrennung mit niedrigen Abgaswerten möglich ist
- – akustisch
stark wahrnehmbare störende
Geräusche
entstehen
- – ein
Rückschlagen
der Flamme durch das Brennermedium hindurch, bedingt durch Turbulenzen im
Verbrennungsraum, möglich
ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs bezeichnete gasbeheizte
Wärmegerät so auszubilden,
dass Resonanzen verhindert werden, so dass das zugehörige Gas-Brennersystem geräuschfrei
und verbrennungs-stabil betrieben werden kann.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe gelingt bei einem gasbeheizten Wärmegerät mit mindestens einem atmosphärischen
Gasbrenner, der innerhalb eines nahezu oder komplett geschlossenen
Verbrennungsraumes angeordnet ist und dem ein voll-vormischendes
Gas/Luft-Zufuhrsystem mit einer Brenngas-Einschussdüse zugeordnet
ist, dessen Einlass für
das Brenngas und die Verbrennungsluft außerhalb des Verbrennungsraumes
am Wärmegerät angeordnet ist,
gemäß der Erfindung
dadurch, dass dem Einlass des Gas/Luft- Zufuhrsystems für die Verbrennungsluft eine
schwingungsdämpfende
mit mindestens einem Lufteintritt versehene Luftzufuhr-Kammer vorgeschaltet
ist, innerhalb der auch im Einlass-Bereich die Brenngas-Einschussdüse angeordnet
ist.
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Diese
schwingungsdämpfende
Luftzufuhrkammer, die in Anlehnung an den bekannten zur Klang- bzw.
Schallanlalyse verwendeten akustischen Resonator, auch Helmholtz-Resonator
genannt wird, ist hinsichtlich ihres Volumens und ihrer Konfiguration
so ausgebildet, dass ihre Resonanzfrequenz auf die im Verbrennungsraum
entstehende Schwingung bzw. stehende Welle abgestimmt ist und diese
durch Interferenz auslöscht,
zumindest stark dämpft.
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Dadurch
können
sich im Verbrennungsraum keine Resonanz-Schwingungen aufschwingen, so dass das
Gas-Brennersystem geräuschfrei
und verbrennungsstabil betrieben werden kann.
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Weitere
Vorteile sind:
- • definierte Luftzuführung
- • keine
Beeinflussung des Gaseinschusses durch Luftbewegungen, da der Gaseinschuß innerhalb des
Raumes liegt. Somit wird sichergestellt, dass die Verbrennung nicht
negativ beeinflusst wird
- • da
die Verbrennungsluft definiert zugeführt wird, ist eine Verbesserung
der Verbrennungsgüte
feststellbar
- • am
Boden befindlicher Staub kann nicht angesaugt werden, da die Verbrennungsluftzuführung nach
oben geführt
werden kann.
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Ausgestaltende
und weiterbildende Merkmale der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet
sowie ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
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Anhand
von drei in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung
näher beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
eines atmosphärischen
Gasbrenners für
einen gasbeheizten Warmwasserbereiter, der innerhalb eines nahezu
geschlossenen Verbrennungsraumes angeordnet ist und dem ein voll-vormischendes Venturi-Gas/Luft-Zufuhrsystem
zugeordnet ist, wobei dem außerhalb
des Verbrennungsraumes liegenden Einlaß des Zufuhrsystems für die Verbrennungsluft
eine erste, quaderförmige
Ausführungsform
einer schwingungsdämpfenden
Luftzufuhrkammer vorgeschaltet ist, mit einer Draufsicht im Figurenteil
A und einer Seitenansicht im Figurenteil B,
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2 in
einer Draufsichtdarstellung eine zweite, teilringförmige Ausführungsform
der vorgeschalteten Luftzufuhrkammer,
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3 in
einer stark schematisierten Draufsichtdarstellung eine dritte, rohrförmige Ausführungsform
der vorgeschalteten Luftzufuhrkammer,
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4 in
einer Längsschnitt-Darstellung
einen bekannten, sogenannten Water Heater mit einem voll-vormischenden
Gasbrenner mit sphärischer Brennfläche, und
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5 in
einer isometrischen Darstellung eine weitere Ausführungsform
eines bekannten voll-vormischenden Gasbrenners mit ebener Brennfläche.
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Die 1 zeigt
in zwei Figurenteilen A, B ein erstes Ausführungsbeispiel eines atmosphärischen Gasbrenners 5,
der hier entsprechend dem bekannten Gasbrenner nach 5 ausgebildet
ist. Als atmosphärische
Gasbrenner bezeichnet man üblicherweise
solche Brenner, die ohne Gebläse-Unterstützung das
Brenngas verbrennen. Dieser Gasbrenner 5 ist innerhalb
eines nahezu oder komplett geschlossenen Verbrennungsraumes 2 eines
Wärmegerätes, beispielsweise
eines Water Heaters wie in 4, angeordnet,
wobei der Einfachheit halber von dem Verbrennungsraum nur seine
Wandung 2a dargestellt ist, die beispielsweise auch durch
eine Tür
in der Wandung gebildet sein kann.
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Der
Gasbrenner 5 weist eine ebene rechteckige Brennermatte
oder Brennerplatte 7 auf, die durch übliche, einschlägige Komponeten
gebildet wird, z.B. durch eine Brennermatte aus keramischen Fasern,
die unter der Marke CERAMAT® bekannt ist. Die Brennermatte
kann auch rund, oval oder freie Formen haben. Auch ist möglich, dass
sie aus Metallfasern oder keramischen Steinen besteht.
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Die
Brennermatte/-platte 7 deckt eine Mischkammer 6 ab,
an welche ein Venturi-Rohr 8 angeformt oder angeschlossen
ist. Die Zufuhr des Brenngases erfolgt über einen Zuführ-Kanal 10a,
dessen unteres Ende in eine Brenngas-Einschussdüse 10 einmündet, die
das Brenngas in das Venturirohr 8 einschießt. Den
Lufteinlassöffnungen
am Venturi-Rohr
ist eine quadertörmige
Kammer 11 vorgeschaltet, welche einen seitlichen Lufteintritt 12 für die Verbrennungsluft
aufweist und in welche auch die Gaseinschuß-Düse 10 einmündet. Diese
Luftzufuhr-Kammer 11 besitzt ein definiertes Volumen, typischerweise
mindestens 2,5 Liter, das eine im Verbrennungsraum in Resonanz entstehende
Geräuschwelle
dämpft,
so dass keine störenden
akustischen Schwingungen entstehen und die Verbrennung stabil bleibt.
Je nach Anwendung kann das Volumen auch geringer sein.
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Ein
derartiges Gebilde wird in der Akustik auch als Helmholtz-Resonator bezeichnet.
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In 1 ist
die Luftzufuhr-Kammer 11 quaderförmig ausgebildet. Die erfindungsgemäß dem Venturi-Rohr 8 vorgeschaltete
Luftzufuhr-Kammer kann
auch eine andere Gestalt haben. Bei der Ausführungs-Form nach 2 ist eine
sich beidseitig zur Gaseinschuß-Düse 10 erstreckende,
die Verbrennungsraum bzw. Heizgeräte-Wandung 2a partiell
umhüllende
kanalartige Luftzufuhrkammer 11' mit beidseitigen Lufteintritts-Öffnungen 12' und einem rechteckigen
Querschnitt dargestellt. Diese Luftzufuhr-Kammer ist in ihrer Mitte
an die Eintrittsöffnung 8a des
Venturi-Rohres 8 angeschlossen. In diesem Anschlussbereich
mündet
auch die Gaseinschussdüse 10 ein.
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Bei
der weiteren, in 3 dargestellten Ausführungsform
ist die Luftzufuhr-Kammer 11'' mit dem Lufteintritt 12'' rohrförmig mit verschiedenen Rohrabschnitten
ausgebildet, wobei die Rohrabschnitte unterschiedliche Durchmesser
aufweisen, um auf einer möglichst
kurzen Strecke einen Helmholtz-Resonator, d.h. Bedingungen für die Kompensation
der Resonanzschwingungen im Brennraum 2, zu schaffen.
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Weitere
Konfigurationen der Luftzufuhrkammern sind denkbar, d.h. die Form
ist letztlich frei, wenn nur über
das Volumen und die Konfiguration die dämpfenden Resonanzbedingungen
erfüllt
sind.
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Die
Luftzufuhr-Kammer kann ein separates Bauteil sein, das in geeigneter
Weise mit dem Venturi-Rohr und/oder dem Verbrennungsraum und/oder der
Verbrennungsraumtür
verbunden ist, wie z.B. durch Verschrauben, Schweißen, Verkleben,
Nieten etc.
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Die
Luftzufuhr-Kammer kann auch mit dem Venturi-Rohr als einstückiges Bauteil
ausgebildet sein.
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Die
Luftzufuhrkammer kann schließlich
Bestandteil des Verbrennungsraumes sein, z.B. bei Wasserbereitern
einschließlich
der Water Heater in der Isolation des Verbrennungsraumes integriert sein.
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Die
für die
Luftzufuhr-Kammern verwendeten Werkstoffe können sein:
Aluminium,
Edelstahl, Kunststoffe, d.h. alle Werkstoffe, welche die Möglichkeit
der einfachen Herstellung wie Tiefziehen, Schweißen, Pressen, Spritzgießen usw.
ermöglichen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann die Brenngas-Versorgung, d.h. die Gaseinschuss-Düse und die
zugehörige
Gaszuführung 10a,
in der Luftzufuhr-Kammer integriert sein.
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Die
jeweilige Luftzufuhr-Kammer kann auch mehr als zwei Lufteintritts-Öffnungen aufweisen. Sie kann
Klappen aufweisen, die bei bestimmten Bedingungen, z.B. bei starker
Verschmutzung durch Staub/Schmutz/Oel, das Abschalten des Gerätes bewirken.
Es können
weiterhin einstellbare Klappen vorgesehen sein, die es ermöglichen,
die Luftzufuhr an verschiedene Leistungsbereiche des Gasbrenners
bzw. verschiedene Gassorten anzupassen.
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Die
jeweilige Luftzufuhr-Kammer kann austauschbare oder leicht reinigbare
Schmutzfänger, insbesondere
in Form von Gittern besitzen, die verhindern, dass Staub/Schmutz/Öl nicht
an den Brenner gelangt.
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In
den Figuren ist ein Venturi-Rohr 8 als Mischrohr dargestellt.
Als Mischstrecke können
auch andere bekannte Konfigurationen, insbesondere Mischrohre, vorgesehen
sein.
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Es
versteht sich, dass anstelle des in den 1 – 3 dargestellten
voll-vormischenden Gasbrenners vom Typ der 5 auch anders ausgebildete,
voll-vormischende Gasbrenner zum Einsatz kommen können.