DE102012003501A1

DE102012003501A1 - Fuel gas-air mixing device

Info

Publication number: DE102012003501A1
Application number: DE201210003501
Authority: DE
Inventors: Jochen Wriske; Matthias Wodke; Nicole Schmidt
Original assignee: Vaillant GmbH
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2013-08-01
Also published as: DK2623863T3; EP2623863B1; EP2623863A3; ES2528968T3; EP2623863A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung zum Mischen von Brenngas und Luft in einem definierten Mischungsverhältnis, auf der Basis einer Venturidüse. In einem Luftkanal ist ein Drosselmittel vorgesehen. Mit zunehmender Luftgeschwindigkeit werden Luftkanal und Drosselmittel so gegeneinander verschoben, dass sich der zwischen Luftkanal und Drosselmittel freibleibende Querschnitt vergrößert. Mit dem Luftkanal oder Drosselmittel ist ein Ventil für das Brenngas verbunden, das proportional zur Querschnittsveränderung des Luftkanals geöffnet wird. Dadurch ist sichergestellt, dass die Mischvorrichtung Brenngas und Luft über einen sehr weiten Modulationsbereich in einem definierten Verhältnis mischt.The invention relates to a mixing device for mixing fuel gas and air in a defined mixing ratio, based on a Venturi nozzle. In an air duct, a throttle means is provided. As the air velocity increases, the air duct and throttle means are shifted relative to one another in such a way that the cross section which remains free between the air duct and the throttle means increases. Connected to the air duct or throttle means is a valve for the fuel gas which is opened in proportion to the change in the cross section of the air duct. This ensures that the mixing device mixes fuel gas and air over a very wide modulation range in a defined ratio.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brenngas-Luft-Mischvorrichtung für ein Heizgerät. Gattungsgemäße Mischvorrichtungen basieren auf einer Mischdüse, üblicherweise einer Venturidüse, bei der mittels eines Gebläses Luft durch die Düse gefördert wird. Im Bereich des engen Querschnitts der Venturidüse wird orthogonal Brenngas zugeführt. Über eine Drossel im Gasweg wird die für eine saubere Verbrennung benötigte Brenngasmenge im Verhältnis zur Luftmenge eingestellt. Die Venturidüse gewährleistet, dass über einen bestimmten Bereich des Luftmassenstroms das Brenngas-Luft-Verhältnis in engen Toleranzen konstant bleibt.The invention relates to a fuel gas-air mixing device for a heater. Generic mixing devices are based on a mixing nozzle, usually a venturi nozzle, in which air is conveyed through the nozzle by means of a blower. In the region of the narrow cross-section of the Venturi nozzle, fuel gas is supplied orthogonally. Via a throttle in the gas path, the amount of fuel gas required for clean combustion is adjusted in relation to the amount of air. The venturi ensures that over a certain range of air mass flow, the fuel gas to air ratio remains constant within close tolerances.

Dies trifft jedoch unterhalb eines Grenzwerts, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit zu gering wird, nicht mehr zu. Für ein Heizungsgerät ist es jedoch vorteilhaft, wenn dieses über einen breiten Modulationsbereich, also einem grollen Verhältnis zwischen maximaler und minimaler Leistung bei Nenn- bzw. bei Teillast verfügt. Diese Systeme sind jedoch dahingehend begrenzt, dass der sich dabei über die Venturidüse einstellende Druckverlust von Teil- zu Nennlast quadratisch verhält und dadurch das Gesamtsystem in der Nennlast durch die maximal mögliche Druckerhöhung des verwendeten Gebläses begrenzt ist.However, this no longer applies below a limit value at which the flow velocity becomes too low. For a heating device, however, it is advantageous if this has a wide modulation range, ie a grollen ratio between maximum and minimum power at rated or at partial load. These systems are, however, limited to the fact that the thereby adjusting over the Venturi nozzle pressure loss from part to nominal load squared and thus the overall system is limited in the nominal load by the maximum possible pressure increase of the blower used.

Aus diesem Grund sind aus dem Stand der Technik verschiedene Lösungen bekannt, die auch im Teillastbereich mit geringen Leistungen ein ausreichend eng toleriertes Brenngas-Luft-Verhältnis aufweisen.For this reason, various solutions are known from the prior art, which also have a low-tolerance fuel gas to air ratio in the part load range with low power.

Die Patentanmeldung DE 196 35 974 A1 beschreibt eine Brenngas-Luft-Mischvorrichtung für Gasheizgeräte, bei dem der Öffnungsquerschnitt zur Brennkammer durch eine schwerkraftbelastete Pendelklappe je nach Volumenstrom angepasst wird.The patent application DE 196 35 974 A1 describes a fuel gas-air mixing device for gas heaters, in which the opening cross section is adapted to the combustion chamber by a gravity-loaded pendulum flap depending on the volume flow.

Das Patent EP 1 183 483 B1 beschreibt eine Mischvorrichtung für Brenngas und Verbrennungsluft mit zwei parallelen Luftdüsen in Form von Venturidüsen. Eine oder alternativ beide Luftdüsen sind durch Absperreinrichtungen abschaltbar. Die Absperreinrichtungen sind als Klappen ausgebildet, wobei die Klappen durch Federn gegen die Strömungsrichtung gehalten werden. Die Federrate bestimmt somit die Absperrcharakteristik.The patent EP 1 183 483 B1 describes a mixing device for fuel gas and combustion air with two parallel air nozzles in the form of Venturi nozzles. One or alternatively both air nozzles can be switched off by means of shut-off devices. The shut-off devices are designed as flaps, wherein the flaps are held by springs against the flow direction. The spring rate thus determines the Absperrcharakteristik.

Aus der Patentanmeldung WO 2012/007823 ist eine Mischvorrichtungen bekannt, bei der ebenfalls eine Klappe im Luftweg den Strömungsquerschnitt bei Teillast verringern. Eine weitere durch den Luftdruck betätigte Klappe verschließt den Brenngasweg.From the patent application WO 2012/007823 is a mixing devices are known in which also reduce a flap in the air the flow cross-section at partial load. Another actuated by the air pressure flap closes the fuel gas path.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Mischvorrichtungen haben jedoch den Nachteil, dass der durch die Geometrie bestimmte Zusammenhang zwischen Luftvolumen und Druckverlust im engen Querschnitt nur sprunghaft, aber nicht kontinuierlich verändert wedden kann. Auch im Fall eines stetigen Öffnens der Absperreinrichtung in einer der Luftdüsen bleibt das für die Gaseindüsung maßgebliche Drucksignal ausschließlich von der vorliegenden, unveränderlichen Düsengeometrie abhängig. Weiterhin bewirkt das Einbringen schwerkraft- oder federbelasteter Absperreinrichtungen im Strömungsweg Regeltoleranzen, die einerseits auf ungünstige Strömungsverhältnisse und andererseits auf die Empfindlichkeit des Druckverlusts gegenüber Bauteiltoleranzen zurückzuführen ist.However, the mixing devices known from the prior art have the disadvantage that the relationship determined by the geometry between air volume and pressure loss in the narrow cross-section can only be changed abruptly but not continuously. Even in the case of a steady opening of the shut-off device in one of the air nozzles, the pressure signal which is decisive for the gas injection remains exclusively dependent on the existing, unchangeable nozzle geometry. Furthermore, the introduction of gravity or spring-loaded shut-off devices in the flow path causes control tolerances, which is due on the one hand to unfavorable flow conditions and on the other hand to the sensitivity of the pressure loss to component tolerances.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Mischvorrichtung bereitzustellen, deren Mischungsverhältnisse zwischen Brenngas und Luft bei geringer Teillast gegenüber dem Stand der Technik noch enger toleriert ist. Ziel ist es, mit einem im Venturiprinzip betriebenen pneumatischen Gas-Luft-Verbund im Teillastbetrieb ein ausreichend großes Drucksignal zu erzeugen, um eine genaue Regelung der Gasarmatur zu gewährleisten.It is therefore an object of the invention to provide a mixing device whose mixing ratios between fuel gas and air at low partial load compared to the prior art is even more closely tolerated. The aim is to generate a sufficiently large pressure signal with a venturi pneumatic air / gas composite in partial load operation in order to ensure accurate control of the gas fitting.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass einerseits der Strömungsweg der Luftzufuhr so gestaltet wird, dass dieser störungsfrei und ohne Kanten oder Bleche gestaltet ist, an denen Verwirbelungen entstehen. Andererseits ist eine kontinuierliche Veränderung des Querschnitts in Abhängigkeit vom Luftmassenstrom vorgesehen. Dies erfolgt einerseits durch eine strömungsgünstige Gestaltung des Drosselmittels, andererseits durch die Möglichkeit, dass sich Drosselmittel und Luftkanal kontinuierlich zueinander verschieben. Dabei erfolgt die Richtung der Verschiebung parallel zur Luftströmungsrichtung, so dass diese Verschiebung einfach durch Luftdruckdifferenzen vor und hinter der Mischvorrichtung bewirkt werden kann.This object is achieved in that on the one hand the flow path of the air supply is designed so that it is designed without interference and without edges or sheets, where turbulence. On the other hand, a continuous change of the cross section depending on the air mass flow is provided. This is done on the one hand by a flow-favorable design of the throttle means, on the other hand by the possibility that throttle means and air duct move continuously to each other. The direction of the displacement is parallel to the direction of air flow, so that this shift can be effected simply by air pressure differences before and after the mixing device.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die strömungsgünstige Gestaltung durch ein vorteilhaftes Längen/Durchmesser-Verhältnis sichergestellt. Dabei soll der Begriff Durchmesser nicht auf kreisrunde Querschnitte beschränkt sein, sondern vielmehr für jede Querschnittsform anwendbar sein.In one embodiment of the invention, the aerodynamic design is ensured by an advantageous length / diameter ratio. The term diameter should not be limited to circular cross-sections, but rather be applicable to any cross-sectional shape.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante weist das Drosselmittel kontinuierliche Querschnittsübergänge auf, Damit ist eine ungestörte Strömung entlang des Drosselmittels möglich.In a preferred embodiment, the throttle means on continuous cross-sectional transitions, Thus, an undisturbed flow along the throttle means is possible.

Die Mischvorrichtung ist bevorzugt so ausgebildet, dass die strömende Luft und damit der wirkende Luftdruck des Verbunds den Luftkanal und/oder das Drosselmittel entgegen einem elastischen Element in Luftströmungsrichtung verschiebt. Durch das elastische Element wird ein Kraft-Weg-Zusammenhang definiert. Die Gestaltung des Luftkanals, des Drosselmittels und des elastischen Elements werden dabei so angepasst, dass sich mit zunehmendem Luftmassenstrom die Querschnittsfläche, die zwischen Drosselmittel und Luftkanal gebildet wird, kontinuierlich vergrößert. Damit ist sichergestellt, dass in einem weiten Bereich für den Luftmassenstrom die für die zuverlässige Funktion der Mischvorrichtung erforderliche minimale Strömungsgeschwindigkeit vorliegt und somit ein für eine Funktion der Mischvorrichtung ausreichend hoher Unterdruck vorliegt.The mixing device is preferably designed so that the flowing air and thus the acting air pressure of the composite shifts the air duct and / or the throttle means against an elastic element in the air flow direction. By the Elastic element is defined as a force-displacement relationship. The design of the air channel, the throttle means and the elastic element are adapted so that increases continuously with increasing air mass flow, the cross-sectional area formed between the throttle means and the air duct. This ensures that the minimum flow velocity required for the reliable functioning of the mixing device is present in a wide range for the air mass flow and thus there is a sufficiently high negative pressure for a function of the mixing device.

Bevorzugt ist das elastische Element eine Feder.Preferably, the elastic element is a spring.

In einer Variante der Erfindung ist der Luftkanal ortsfest und das Drosselmittel verschiebbar ausgeführt.In a variant of the invention, the air channel is stationary and the throttle means slidably executed.

In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Variante der Erfindung ist das Drosselmittel mit einem federbelasteten Hebel verbunden, der so lang ist, dass das Drosselmittel entlang einner näherungsweise geradlinigen Ortskurve parallel zur Luftströmungsrichtung bewegbar ist.In a preferred embodiment of this variant of the invention, the throttle means is connected to a spring-loaded lever which is so long that the throttle means along an approximately rectilinear locus is movable parallel to the air flow direction.

In einer alternativen Variante der Erfindung hingegen ist das Drosselmittel ortsfest und der Luftkanal verschiebbar ausgeführt. Bevorzugt ist der Luftkanal entgegen einer Feder verschiebbar linear geführt.In an alternative variant of the invention, however, the throttle means is stationary and the air duct slidably executed. Preferably, the air duct is displaceably guided linearly against a spring.

Das verschiebbare Drosselmittel oder der verschiebbare Luftkanal ist so mit einem Ventil für Brenngas gekoppelt, dass dieses gleichzeitig mit der den Luftkanal öffnenden Verschiebung des Drosselmittels oder Luftkanals kontinuierlich und proportional zur Querschnittsveränderung des Luftkanals geöffnet wird. Damit ist sichergestellt, dass in jedem Betriebspunkt der Mischvorrichtung das Luft/Brenngas-Verhältnis einen vorgegebenen Wert entspricht.The slidable throttle means or the slidable air passage is coupled to a fuel gas valve so as to be opened simultaneously with the air passage opening of the throttle means or air passage continuously and in proportion to the change in the cross section of the air passage. This ensures that at each operating point of the mixing device, the air / fuel gas ratio corresponds to a predetermined value.

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert.The invention will now be explained in detail with reference to FIGS.

Es stellen dar:They show:

1: eine Schnittzeichnung einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung. 1 : a sectional view of a mixing device according to the invention.

2: eine Schnittzeichnung einer Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung. 2 : A sectional drawing of an embodiment of a mixing device according to the invention.

1 zeigt eine Bezeichnung einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung. Von einem rechtsseitig angeordneten, hier nicht dargestellten Gebläse wird Luft durch die Venturidüse gefördert. Die Venturidüse wird gebildet aus dem Luftkanal 2 und dem darin enthaltenen Drosselmittel 3. Von links gesehen verringert sich der freie Querschnitt für die Luftströmung kontinuierlich bis zu einer Querschnittsverengung 4, um sich danach wieder zu erweitern. Im Bereich der Querschnittsverengung 4 ist eine Zuführung 5 für Brenngas vorgesehen. Aufgrund der höheren Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Querschnittsverengung bildet sich ein Unterdruck, so dass durch die Zuführung 5 Brenngas in den Luftweg gefördert wird und sich mit der Luft vermischt. Mit Hilfe der Drehzahl des hier nicht dargestellten Gebläses kann die Menge des Gas-Luft-Gemisches verändert werden. Dabei bleibt das Mischungsverhältnis zwischen Brenngas und Luft in einem bestimmten Bereich konstant. Wird die Drehzahl des Gebläses und damit der Massenstrom der Luft noch weiter verringert, ist nicht mehr sichergestellt, dass das Mischungsverhältnis konstant bleibt. Aus diesem Grund ist die Venturidüse 1 so ausgeführt, dass der Luftkanal 2 und das Drosselmittel 3 sich aufgrund der Druckverhältnisse, die sich durch die Luftströmung einstellen, der Weise gegeneinander verschieben können, dass sich mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten die freie Querschnittsfläche zwischen Luftkanal 2 und Drosselmittel 3 vergrößert bzw. mit niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten verringert. Dies kann entweder über den gesamten Modulationsbereich des Gebläses kontinuierlich erfolgen, nur im unteren Teillastbereich kontinuierlich oder aber bei einem bestimmten Betriebspunkt binär in der Weise, dass bei über- oder unterschreiten dieses Betriebspunkt entweder eine große oder eine kleine Querschnittsfläche zwischen Luftkanal 2 und Drosselmittel 3 frei bleiben. Ebenfalls kann eine reibungsbedingte Hysterese vorgesehen sein, die ein Flattern verhindert. 1 shows a name of a mixing device according to the invention. From a right-hand side, not shown blower air is conveyed through the venturi. The Venturi nozzle is formed from the air duct 2 and the throttle means contained therein 3 , Seen from the left, the free cross-section for the air flow decreases continuously to a cross-sectional constriction 4 to expand again afterwards. In the area of the cross-sectional constriction 4 is a feeder 5 intended for fuel gas. Due to the higher flow velocity within the cross-sectional constriction forms a negative pressure, so that by the supply 5 Fuel gas is conveyed in the airway and mixed with the air. With the help of the speed of the blower, not shown here, the amount of the gas-air mixture can be changed. The mixing ratio between fuel gas and air remains constant in a certain range. If the speed of the fan and thus the mass flow of the air is reduced even further, it is no longer possible to ensure that the mixing ratio remains constant. That's why the venturi is 1 designed so that the air duct 2 and the throttle means 3 can shift due to the pressure conditions that are set by the air flow, the way against each other, that at high flow velocities, the free cross-sectional area between the air duct 2 and throttle means 3 increased or reduced with low flow rates. This can be done either over the entire modulation range of the fan continuously, only continuously in the lower part load range or at a certain operating point in such a way that when exceeding or falling below this operating point either a large or a small cross-sectional area between the air duct 2 and throttle means 3 remain free. Also, a frictional hysteresis may be provided to prevent flutter.

Durch die hohe Luftgeschwindigkeit wird der Luftkanal 2 entgegen der Feder 7 nach rechts geschoben. Dazu ist der Luftkanal 2 links mittels einer Führung 8, die durch Speichen mit dem Luftkanal 2 verbunden ist, auf dem feststehenden Drosselmittel 3 geführt. Die Zuführung 5 ist mit einem Ventil 6 verbunden, mit der der Massenstrom des zugeführten Brenngases veränderbar ist. Das Ventil 6 ist so mit dem Luftkanal 2 verbunden, dass das Ventil 6 geöffnet wird, wenn der Luftkanal 2 nach rechts verschoben wird. Dadurch wird die Brenngasmenge an den sich verändernden Querschnitt der Venturidüse angepasst.Due to the high air velocity, the air duct 2 against the spring 7 pushed to the right. This is the air duct 2 left by a guide 8th passing through spokes with the air duct 2 connected to the fixed throttle means 3 guided. The feeder 5 is with a valve 6 connected, with the mass flow of the supplied fuel gas is variable. The valve 6 is like that with the air duct 2 connected to that valve 6 is opened when the air duct 2 is moved to the right. As a result, the amount of fuel gas is adapted to the changing cross section of the venturi.

In 2 ist eine alternative Ausführungsform der Mischvorrichtung gezeigt. Das Drosselmittel 3 weist die Form eines Rotationsellipsoids auf. Das Drosselmittel 3 ist an einem langen Hebel so befestigt, dass es entlang einer Kreisbahn mit sehr großem Radius, der näherungsweise eine Gerade darstellt, geführt wird. Mit zunehmender Luftgeschwindigkeit wird das Drosselmittel entgegen der Feder 7 nach rechts gedrückt. Der Hebel ist mit einem Ventil 6 verbunden, durch das die Brenngaszufuhr durch die Zuführung 5 dosierbar ist. Mit zunehmender Luftgeschwindigkeit wird das Ventil 6 immer weiter geöffnet, so dass die Brenngaszufuhr an die Luftmenge angepasst wird.In 2 an alternative embodiment of the mixing device is shown. The throttle means 3 has the shape of an ellipsoid of revolution. The throttle means 3 is attached to a long lever so that it is guided along a circular path with a very large radius, which is approximately a straight line. With increasing air velocity, the throttle means against the spring 7 pressed to the right. The lever is with a valve 6 connected by the fuel gas supply through the feed 5 can be metered. As the air velocity increases, the valve becomes 6 always open, so that the fuel gas supply is adjusted to the amount of air.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Mischdüsemixing nozzle
22: Luftkanalair duct
33: Drosselmittelthrottling means
44: QuerschnittsverengungCross-sectional narrowing
55: Zuführungfeed
66: VentilValve
77: elastisches Elementelastic element
88th: Führungguide

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19635974 A1 [0004]
EP 1183483 B1 [0005]
WO 2012/007823 [0006]

Claims

Mixing device for mixing fuel gas and air in a defined mixing ratio, comprising a mixing nozzle ( 1 ), preferably a Venturi nozzle, which has an air channel ( 2 ) through which air can be conducted, comprising a feeder ( 5 ) for fuel gas entering the mixing nozzle ( 1 ) and comprising a throttle means ( 3 ), characterized in that the throttling means ( 3 ) streamlined shape and so in the air duct ( 2 ) is arranged that between the air duct ( 2 ) and throttle means ( 3 ) remaining cross-section a substantially continuous cross-sectional constriction ( 4 ), in which the feeder ( 5 ) and that the throttle means ( 3 ) and the air duct ( 2 ) are displaceable relative to each other in the air flow direction, that the cross-sectional area in the region of the cross-sectional constriction ( 4 ) continuously reversibly expanded with increasing air mass flow.

Mixing device according to claim 1, wherein the throttling means ( 3 ) seen in the air flow direction has a length / diameter ratio of greater than 0.5, preferably greater than 1.

Mixing device according to claim 1 or 2, wherein the throttling means ( 3 ) in the air flow direction has substantially continuous cross-sectional transitions.

Mixing device according to one of claims 1 to 3, wherein the throttle means seen in the air flow direction has a substantially elliptical shape.

Mixing device according to one of claims 1 to 4, wherein the air channel ( 2 ) and the throttle means ( 3 ) are formed so that the flowing air a force on the air duct ( 2 ) and / or the throttle means ( 3 ) and that this force against an elastic element ( 7 ) acts, that the throttle means ( 3 ) and the air duct ( 2 ) Move relative to each other in the flow direction.

Mixing device according to claim 5, wherein the elastic element ( 7 . 8th ) is a spring.

Mixing device according to one of claims 1 to 6, wherein the air duct ( 2 ) and the throttle means ( 3 ) is designed to be displaceable.

Mixing device according to claim 7, wherein the throttling means ( 3 ) is connected to a spring-loaded lever.

Mixing device according to one of claims 1 to 6, wherein the throttling means ( 3 ) and the air duct ( 2 ) is designed to be displaceable.

Mixing device according to claim 9, wherein the air duct ( 2 ) is displaceably guided linearly against a spring.

Mixing device according to one of the preceding claims, wherein the displaceable throttle means ( 3 ) or the displaceable air duct ( 2 ) so with a valve ( 6 ) is coupled for fuel gas, that this is opened continuously when the displaceable throttle means ( 3 ) or the displaceable air duct ( 2 ) is moved in a direction that increases the cross-sectional area in the region of the cross-sectional constriction ( 4 ) causes.