DE102020117692A1

DE102020117692A1 - Gasbrennervorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer Gasbrennervorrichtung

Info

Publication number: DE102020117692A1
Application number: DE102020117692.9A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dzubiella; Eugen Gleim; Konrad Ritter; Ralf Brähmer
Original assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Viessmann Climate Solutions SE
Priority date: 2020-07-06
Filing date: 2020-07-06
Publication date: 2022-01-13
Anticipated expiration: 2040-07-07
Also published as: DE102020117692B4; EP4176205A1; WO2022007996A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gasbrennervorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb dieser Gasbrennervorrichtung, umfassend einen Flammkörper (1), der einen mit Löchern (2.1) versehenen Brenneroberflächenabschnitt (2) zur Verbrennung eines Gas-Luft-Gemisches aufweist, wobei jedes Loch (2.1) eine Lochfläche und der Brenneroberflächenabschnitt (2) eine sich aus einem Flächenverhältnis einer Gesamtsumme der Lochflächen und der Fläche des Brenneroberflächenabschnitts (2) ergebende Porosität aufweist. Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass die Porosität des Brenneroberflächenabschnitts (2) mehr als 35% beträgt, dass das Gas mindestens anteilig Wasserstoff enthaltend ausgebildet ist und dass eine sich beim Betrieb der Gasbrennervorrichtung ergebende thermische Flächenbelastung mehr als 10.000 kW/m2beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasbrennervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Gasbrennervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
Eine Gasbrennervorrichtung der eingangs genannten Art ist aus dem Patentdokument WO 1993/18342 A1 bekannt. Diese Gasbrennervorrichtung besteht aus einem Flammkörper, der einen mit Löchern versehenen Brenneroberflächenabschnitt zur Verbrennung eines Gas-Luft-Gemisches aufweist, wobei jedes Loch eine Lochfläche und der Brenneroberflächenabschnitt eine sich aus einem Flächenverhältnis einer Gesamtsumme der Lochflächen und der (bzw. zur) Fläche des Brenneroberflächenabschnitts ergebende Porosität aufweist. Unter einem „Flammkörper“ ist dabei hier und im Folgenden jeder dreidimensionale Körper zu verstehen, der geeignet ist, um an diesem einen Brenneroberflächenabschnitt anzuordnen. Der Begriff „Brenneroberflächenabschnitt“ bedeutet dabei hier und im Folgenden, dass am Flammkörper wahlweise ein einziger solcher Abschnitt oder aber auch mehrere solcher Abschnitte vorgesehen sein können, wobei im Falle mehrerer Abschnitte, die insbesondere hinsichtlich ihrer Porosität auch unterschiedlich ausgebildet sein können, diese auch nahtlos ineinander übergehen können. Bei dem bei dieser Lösung verwendeten Gas handelt es sich im übrigen, wie der Fachmann ohne weiteres erkennt, um Erd- bzw. Methangas. Unter einem „Loch“ ist dabei hier und im Folgenden eine Ausnehmung im Brenneroberflächenabschnitt zu verstehen, die zum Beispiel kreisförmig sein kann, aber nicht muss. Sie kann beispielsweise auch als Schlitz oder als Kreuzschlitz ausgebildet sind (vergleiche die 4 bis 7 im oben genannten Dokument).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasbrennervorrichtung der eingangs genannten Art zu verbessern. Insbesondere soll eine auch mit Wasserstoff betreibbare Gasbrennervorrichtung geschaffen werden.
Diese Aufgabe ist mit einer Gasbrennervorrichtung der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass die Porosität des Brenneroberflächenabschnitts mehr als 35% beträgt (vergleiche hierzu Seite 1, Zeile 27 des vorgenannten Standes der Technik), dass das Gas mindestens anteilig Wasserstoff enthaltend ausgebildet ist und dass eine sich beim Betrieb der Gasbrennervorrichtung ergebende thermische Flächenbelastung mehr als 10.000 kW/m² beträgt. Verfahrensmäßig ausgedrückt, ist also vorgesehen, dass ein Brenneroberflächenabschnitt mit einer Porosität von mehr als 35% und ein mindestens anteilig Wasserstoff enthaltendes Gas verwendet und die Gasbrennervorrichtung mit einer thermischen Flächenbelastung von mehr als 10.000 kW/ m² betrieben wird.
Mit anderen Worten zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung somit dadurch aus, dass aufgrund einer vergleichsweise hohen Porosität des Brenneroberflächenabschnitts vergleichsweise viel vom Gas-Luft-Gemisch durch die Löcher strömen kann. Ein oberer Grenzwert der Porosität liegt vorzugsweise bei 60%. Dies führt dazu, dass einerseits der Brenneroberflächenabschnitt gut gekühlt wird und somit ein Flammenrückschlag wirksam verhindert werden kann. Andererseits ist aufgrund der vergleichsweise hohen Porosität eine vergleichsweise hohe thermische Flächenbelastung realisierbar, was wiederum eine kompakte Bauweise der erfindungsgemäße Gasbrennervorrichtung ermöglicht. Unter „thermischer Flächenbelastung“ ist dabei die vom Brenneroberflächenabschnitt abgegebene Wärmeleistung pro Fläche zu verstehen. Ein oberer Grenzwert der Flächenbelastung liegt vorzugsweise bei 30.000 kW/m².
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Gasbrennervorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer solchen Gasbrennervorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Der Vollständigkeit halber wird noch auf das Patentdokument WO 2020/079445 A1 verwiesen. Aus diesem ist zwar eine Gasbrennervorrichtung zur Verbrennung von wasserstoffhaltigem Gas bekannt, Angaben zur Porosität oder Flächenbelastung sind in diesem Dokument aber nicht zu finden und es werden dem Fachmann auch keine Anregungen zur Festlegung dieser für eine gute Verbrennung wichtigen Parameter gegeben.
Die erfindungsgemäße Gasbrennervorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer solchen Gasbrennervorrichtung einschließlich ihrer bzw. seiner vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigt schematisch und nicht maßstäblich

1 perspektivisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasbrennervorrichtung;
2 in Draufsicht einen Ausschnitt des Brenneroberflächenabschnitts mit kreisrunden Löchern; und
3 einen Schnitt durch den Brenneroberflächenabschnitt mit einem kreisrunden Loch.

Die in den Figuren dargestellte Gasbrennervorrichtung, die besonders bevorzugt als vollvormischender Brenner ausgebildet ist, besteht zunächst in bekannter Weise aus einem Flammkörper 1, der einen mit Löchern 2.1 versehenen Brenneroberflächenabschnitt 2 aufweist. Zum Betrieb dieser Gasbrennervorrichtung wird an dem Brenneroberflächenabschnitt 2, der, wie gesagt, an einem Flammkörper 1 angeordnet ist, ein Gas-Luft-Gemisch verbrannt. Ferner weist jedes Loch 2.1 eine Lochfläche und der Brenneroberflächenabschnitt 2 eine sich aus einem Flächenverhältnis einer Gesamtsumme der Lochflächen und der Fläche des Brenneroberflächenabschnitts 2 ergebende Porosität auf. Der Brenneroberflächenabschnitt 2 ist dabei vorzugsweise vollständig mit regelmäßig verteilten Löchern 2.1 versehen.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Gasbrennervorrichtung eine Modulationsfähigkeit von 1:5 aufweist, also ohne Probleme im Bereich zwischen 20 und 100% ihrer Leistung arbeiten kann.
Wesentlich für die erfindungsgemäße Gasbrennervorrichtung ist nun, dass die Porosität des Brenneroberflächenabschnitts 2 mehr als 35% beträgt, dass das Gas mindestens anteilig Wasserstoff enthaltend ausgebildet ist und dass eine sich beim Betrieb der Gasbrennervorrichtung ergebende thermische Flächenbelastung mehr als 10.000 kW/m² beträgt.
Verfahrensmäßig ausgedrückt ist also vorgesehen, dass ein Brenneroberflächenabschnitt 2 mit einer Porosität von mehr als 35% und ein mindestens anteilig Wasserstoff enthaltendes Gas verwendet und die Gasbrennervorrichtung mit einer thermischen Flächenbelastung von mehr als 10.000 kW/m² betrieben wird.
Bezüglich der Porosität ist dabei besonders bevorzugt vorgesehen, dass diese weniger als 60%, vorzugsweise zwischen 40% und 50%, beträgt.
Bezüglich des Gases ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass dieses mindestens 25%, vorzugsweise mindestens 50%, besonders bevorzugt mindestens 75%, ganz besonders bevorzugt mehr als 90% Wasserstoff enthaltend ausgebildet ist. Der jeweils verbleibende Anteil besteht vorzugsweise aus Erdgas oder dergleichen.
Wie insbesondere aus 2 ersichtlich, ist weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass mindestens einige, vorzugsweise alle, der Löcher 2.1 rund, insbesondere kreisrund, ausgebildet sind. Dabei ist weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass die kreisrunden Löcher 2.1 einen Durchmesser D von 0,4 bis 0,8 mm aufweisen.
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Verhältnis „t/D“ eines Abstands zweier Lochmittelpunkte t zum Durchmesser D eines Lochs 2.1 zwischen 1,125 und 2,25, vorzugsweise zwischen 1,125 und 1,6, besonders bevorzugt zwischen 1,2 und 1,4, beträgt. Außerdem ist bevorzugt vorgesehen, dass Ränder von zwei Löchern 2.1 zueinander einen Abstand b (auch Stegbreite genannt) von 0,1 bis 0,5 mm aufweisen. Noch genauer gesagt, bezeichnet b den kleinsten vorhandenen Abstand zwischen den Rändern zweier nächstbenachbarter Löcher. Es ist hierbei zu beachten, dass bei der vorliegenden Erfindung bei gegebener Lochgeometrie und -anordnung nur Wertepaare b und D verwendet werden, welche, wie oben beschrieben, zu einer Porosität von mehr als 35% führen, um einen effektiven Betrieb der Gasbrennervorrichtung zu gewährleisten.
Bezüglich der Anordnung der Löcher 2.1 auf dem Brenneroberflächenabschnitt 2 ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass diese wahlweise (wie in 2 dargestellt) auf gedachten Ecken von insbesondere gleichseitigen Dreiecken oder (nicht extra dargestellt) auf gedachten Ecken von Rechtecken, insbesondere Quadraten, angeordnet sind (bei nicht quadratischen Rechtecken gibt es dann entsprechend zwei, zueinander senkrechte b-Werte) .
Ferner ist, wie in 1 dargestellt, besonders bevorzugt vorgesehen, dass der Flammkörper 1 als Zylinder ausgebildet und der Brenneroberflächenabschnitt 2 mit seinen Löchern 2.1 an einer Stirnseite des Zylinders angeordnet ist. Wie ersichtlich und wie eingangs bereits erläutert, muss der Brenneroberflächenabschnitt 2 dabei nicht die gesamte Oberfläche des Flammkörpers 1 ausfüllen bzw. ausmachen, sondern kann zum Beispiel, wie dargestellt als (im Verhältnis zur sonstigen Oberfläche relativ kleine) Ringfläche ausgebildet sein.
Bezüglich des verwendeten Materials ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass der Brenneroberflächenabschnitt 2 wahlweise aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff gebildet ist. Dabei weist das Material des Brenneroberflächenabschnitts 2 besonders bevorzugt eine Wärmeleitfähigkeit von 1 bis 25 W/ (m*K) auf.
Sofern ein metallisches Material für den Brenneroberflächenabschnitt 2 verwendet wird, ist bevorzugt vorgesehen, dass dieses eine Materialstärke s, siehe 3, von 1 bis 3 mm aufweist.
Sofern ein keramisches Material für den Brenneroberflächenabschnitt 2 verwendet wird, ist schließlich bevorzugt vorgesehen, dass dieses eine Materialstärke s von 8 bis 12 mm, vorzugsweise 10 mmm, aufweist.
Bezugszeichenliste

1: Flammkörper
2: Brenneroberflächenabschnitt
2.1: Loch
b: Abstand
D: Durchmesser
s: Materialstärke
t: Abstand zweier Lochmittelpunkte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 1993/18342 A1 [0002]
WO 2020/079445 A1 [0008]

Claims

Gasbrennervorrichtung, umfassend einen Flammkörper (1), der einen mit Löchern (2.1) versehenen Brenneroberflächenabschnitt (2) zur Verbrennung eines Gas-Luft-Gemisches aufweist, wobei jedes Loch (2.1) eine Lochfläche und der Brenneroberflächenabschnitt (2) eine sich aus einem Flächenverhältnis einer Gesamtsumme der Lochflächen und der Fläche des Brenneroberflächenabschnitts (2) ergebende Porosität aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität des Brenneroberflächenabschnitts (2) mehr als 35% beträgt, dass das Gas mindestens anteilig Wasserstoff enthaltend ausgebildet ist und dass eine sich beim Betrieb der Gasbrennervorrichtung ergebende thermische Flächenbelastung mehr als 10.000 kW/m² beträgt.
Gasbrennervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einige, vorzugsweise alle, der Löcher (2.1) rund, insbesondere kreisrund, ausgebildet sind.
Gasbrennervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kreisrunden Löcher (2.1) einen Durchmesser (D) von 0,4 bis 0,8 mm aufweisen.
Gasbrennervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis eines Abstands zweier Lochmittelpunkte (t) zum Durchmesser (D) eines Lochs (2.1) zwischen 1,125 und 2,25 beträgt.
Gasbrennervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Ränder von zwei Löchern (2.1) zueinander einen Abstand (b) von 0,1 bis 0,5 mm aufweisen.
Gasbrennervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (2.1) auf gedachten Ecken von insbesondere gleichseitigen Dreiecken angeordnet sind.
Gasbrennervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Flammkörper (1) als Zylinder ausgebildet und der Brenneroberflächenabschnitt (2) mit seinen Löchern (2.1) an einer Stirnseite des Zylinders angeordnet ist.
Gasbrennervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenneroberflächenabschnitt (2) wahlweise aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff gebildet ist.
Gasbrennervorrichtung nach Anspuch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein metallisches Material des Brenneroberflächenabschnitts (2) eine Materialstärke (s) von 1 bis 3 mm aufweist.
Verfahren zum Betrieb einer Gasbrennervorrichtung, insbesondere einer Gasbrennervorrichtung gemäß der Ansprüche 1 bis 9, bei dem an einem Brenneroberflächenabschnitt (2), der an einem Flammkörper (1) angeordnet und mit Löchern (2.1) versehen ist, ein Gas-Luft-Gemisch verbrannt wird, wobei jedes Loch (2.1) eine Lochfläche und der Brenneroberflächenabschnitt (2) eine sich aus einem Flächenverhältnis einer Gesamtsumme der Lochflächen und der Fläche des Brenneroberflächenabschnitts (2) ergebende Porosität aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brenneroberflächenabschnitt (2) mit einer Porosität von mehr als 35% und ein mindestens anteilig Wasserstoff enthaltendes Gas verwendet und die Gasbrennervorrichtung mit einer thermischen Flächenbelastung von mehr als 10.000 kW/m² betrieben wird.