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Die Erfindung betrifft eine Rückstromschutzvorrichtung für ein Heizgerät und Heizgerät mit einer Rückstromschutzvorrichtung.
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Wird bei einem Heizgerät das Gas-Luftgemisch an der Zündelektrode im Brenner des Heizgeräts gezündet, kommt es zu einem Druckstoß. Durch die Gestaltung der Durchströmungs-Öffnungen am Brenner wird üblicherweise verhindert, dass die Flamme durch den Brenner zurückschlägt. Trotz der speziellen Gestaltung der Brenner besteht die Gefahr des Flammenrückschlagens beim Zünden oder verspäteten Zünden. Es kann vorkommen, dass die Flamme in den dem Brenner vorgeschalteten Strömungskanal, das Gebläse, das Gasventil, das Misch-Venturi zurückschlägt und Bauteile beschädigt.
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Bei Heizgeräten sind Rückstromklappen seit vielen Jahren Stand der Technik. Sie verhindern unter anderem im Stillstand des Heizgeräts das Zurückströmen von feuchter gesättigter Luft aus dem Wärmetauscher in die stromaufwärts angeordneten Bauteile.
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Die Rückstromklappen sind häufig aus Kunststoff oder Metall mit einer Dichtlippe gefertigt und werden von einem Träger oder einem Gehäuseteil gehalten. Zur Verhinderung einer Deformation beim Zünden sind teilweise Stege vorgesehen, an denen die Rückstromklappe anliegt, und die ein Durchbiegen der Rückstromklappen in die Rückströmrichtung beim Zünden verhindern. Das begünstigt auch eine Absicherung gegen ein Verklemmen der Rückstromklappen.
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Diese Stege müssen ausreichend stabil gestaltet werden. Sie können durch ihre Erstreckung senkrecht zum Strömungsweg des Gas-Luftgemisches einen hohen Druckverlust aufweisen und zu einem höheren Druckverlust im Strömungskanal oder zu Strömungsgeräuschen wie Pfeifen oder Brummen führen. Ein weiterer Nachteil ist, dass beim Zünden die Rückstromklappe vollständig auf den Stegen zur Auflage kommt und es zu einem Aufstau der Druckwelle beim Zünden vor der Rückstromklappe kommt, der zu lauten Zündgeräuschen führt.
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Zudem ist eine neuere Anforderung, dass Heizgeräte mit reinem Wasserstoff (100% Wasserstoff als Brenngas) oder in Teilen zugemischtem Wasserstoff betrieben werden können. Bei der Verbrennung von reinem Wasserstoff ist die Flammengeschwindigkeit etwa um den Faktor 7,4 höher als mit reinem Methan, das bisher häufig eingesetzte Brenngas. Deshalb sind besondere Brenner mit kleineren Durchströmungsöffnungen für das Verbrennen von Luft-Wasserstoffgemischen notwendig. Diese Brenner haben einen höheren Druckverlust. Weiterhin ist der maximale Explosionsdruck von Methan und Wasserstoff in etwa gleich hoch, die maximale zeitliche Druckanstiegsgeschwindigkeit ist beim Zünden eines Luft-Wasserstoffgemisches jedoch um etwa den Faktor 11,5 höher als bei einem Luft-Methangemisch. Durch die hohe Druckanstiegsgeschwindigkeit beim Zünden eines Luft-Wasserstoffgemisches kann es deshalb verstärkt zu den vorstehend beschriebenen lauten Zündgeräuschen und zum Flammenrückschlagen durch den Brenner stromaufwärts kommen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Rückstromschutzvorrichtung für ein Heizgerät bereit zu stellen, welche für den Einsatz von Wasserstoff als Brenngas optimiert ist und Zündgeräusche minimiert.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird eine Rückstromschutzvorrichtung für ein Heizgerät mit einer Rückstromklappe vorgeschlagen, die an einer Halterung gehalten ist. Die Rückstromklappe ist relativ zu der Halterung beweglich, um einen Strömungsweg für ein einem Brenner des Heizgeräts zuzuführendes Brennstoff-Luft-Gemisch in eine Strömungsrichtung zu öffnen und in eine Rückströmungsrichtung zu verschließen. Die Rückstromschutzvorrichtung umfasst ferner eine Stegstruktur gebildet aus einer Mehrzahl von Stegen, die, in Rückströmungsrichtung gesehen, anströmseitig Auflagepunkte für die Rückstromklappe zur Begrenzung einer Bewegung der Rückstromklappe in die Rückströmungsrichtung bilden. Die Stege weisen zwischen den Auflagepunkten Einsenkungen auf, in welche die Rückstromklappe einbiegbar und dadurch an die Stege neben den Auflagepunkten auch im Bereich der Einsenkungen zur Anlage bringbar ist.
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Durch die spezielle Gestaltung der Stege mit Einsenkungen ist die Kontaktfläche zwischen der Rückstromklappe und den Stegen der Stegstruktur im geschlossenen Zustand auf die Auflagepunkte beschränkt. Die Einbiegung der Rückstromklappe entgegen der Hauptströmungsrichtung des Gas-Luftgemisches, d.h. in Rückströmungsrichtung, in die Einsenkung und mithin das Anliegen der Rückstromklappe über die Erstreckung der Stege erfolgt insbesondere bei einem plötzlichen Druckstoß bedingt durch das Zünden des Gas-Luftgemisches. Durch die anfänglich reduzierte Anlagefläche wird das Zündgeräusch minimiert. Gleichzeitig bieten die Stege jedoch eine ausreichende Stabilität, da bei hohen Drücken die Klappe über die gesamte Erstreckung der Stege abgestützt wird. Dadurch wird ein Teil der Druckenergie aufgenommen und das Zündgeräusch kompensiert. Da dieses bei Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff besonders hoch ist, eignet sich die Lösung vor allem auch für Gas-Luftgemische mit einem Anteil von Wasserstoff oder reinem Wasserstoff.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Einsenkungen der Stege einen teilkreisförmigen oder parabelförmigen Verlauf auf. Günstig ist auch, wenn sich die Einsenkungen über den gesamten Bereich zwischen den jeweils benachbarten Auflagepunkten durchgängig erstrecken. Es sind jedoch auch Ausführungen umfasst, bei denen sich die Einsenkungen nur über Teilabschnitte zwischen den Auflagepunkten erstrecken.
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Bei einer Ausführungsvariante der Rückstromschutzvorrichtung ist vorgesehen, dass die Stegstruktur durch sich kreuzende Stege realisiert ist und die Auflagepunkte an Kreuzungspunkten der Stege gebildet sind. Insbesondere verlaufen die Stege senkrecht zueinander.
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Eine Weiterbildung der Rückstromschutzvorrichtung ist zudem dadurch gekennzeichnet, dass die Stege auf ihrer in Rückströmungsrichtung gesehen abströmseitigen Seite eine bogenförmige, konvex in Rückströmungsrichtung vorstehende Kontur aufweisen. Dies bietet eine hohe Stabilität der Stegstruktur gegen die hohe Druckanstiegsgeschwindigkeit beim Zünden, insbesondere von Wasserstoff-Luftgemischen. Die bogenförmige Ausgestaltung der in Rückströmungsrichtung gesehenen Abströmseite der Stege, welche der Anströmseite für das Gas-Luftgemisch entspricht, hat zudem den strömungstechnischen den Vorteil, dass keine Strömungsgeräusche im Betrieb angeregt werden, die zu Pfeif- oder Brummgeräuschen während des Betriebs des Heizgeräts führen.
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Aus strömungstechnischer Sicht ist zudem eine Ausgestaltung der Rückstromschutzvorrichtung von Vorteil, bei der in Rückströmungsrichtung gesehen die Anströmkanten und die Abströmkanten der Stege jeweils verrundet ausgebildet sind. Es sind jedoch auch Ausführungen umfasst, bei der entweder die Anströmkanten oder die Abströmkanten der Stege jeweils verrundet ausgebildet sind.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Rückstromschutzvorrichtung insbesondere für den Einsatz von Wasserstoff als Brenngas sieht vor, dass mindestens vier Stege vorgesehen sind, die mindestens drei Kreuzungspunkte bilden. Noch vorteilhafter ist eine Ausführung mit mindestens fünf Stegen, die mindestens sechs Kreuzungspunkte bilden. Die im Vergleich zum Stand der Technik höhere Anzahl an Stegen vergrößert die Stabilität und qualifiziert die Rückstromschutzvorrichtung unter anderem zum Einsatz von Wasserstoff als Brenngas.
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Eine Weiterbildung der Rückstromschutzvorrichtung sieht eine mehrteilige Ausbildung vor. Dabei wird die Stegstruktur an einem extra Einsatz, insbesondere Wechseleinsatz ausgebildet, der in die Halterung montierbar und daran befestigbar ist. Insbesondere kann der Einsatz in die Halterung eingesetzt und von dieser umschlossen gehalten werden. Als Wechseleinsatz können bedarfsgerechte Stegstrukturen je nach Einsatzgebiet des Heizgeräts und Gas-Luftzusammensetzung verwendet werden.
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Vorzugsweise ist die Halterung als Tragrahmen ausgebildet, an dem die Rückstromklappe derart beweglich gehalten ist, eine Aufklappbewegung entgegen der Rückströmungsrichtung auszuführen. Die Aufklappbewegung dient zum Durchlass der Strömung des Gas-Luftgemisches in der Hauptströmungsrichtung zum Brenner. Eine Klappbewegung in die Gegenrichtung wird von der Stegstruktur verhindert.
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Besonders günstig ist eine Ausführung der Rückstromschutzvorrichtung, bei der die Rückstromklappe an den Tragrahmen einknüpfbar ist, um die relativ zueinander bewegliche Befestigung zwischen der Rückstromklappe und dem Tragrahmen zu gewährleisten. Alternativ können die Rückstromklappe und der Tragrahmen aus einem einzigen Elastomer-Formteil gebildet sein.
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Die Rückstromklappe wird vorteilhafterweise plattenförmig ausgebildet und aus einem elastischen Material, insbesondere aus Silikon, Fluorkautschuk (FKM) oder einem Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) gebildet. Die plattenförmige Rückstromklappe weist dabei eine Dicke von vorzugsweise 1-3mm, insbesondere 2mm auf. Der Plattenkörper der Rückstromklappe kann sich dann bei hoher Belastung beim Zünden elastisch in die Einsenkungen der Stege einbiegen und neben den Auflagepunkten auch an den Stegflächen entlang der Einsenkungen zur Anlage kommen. Sobald die Belastung nachlässt, geht die Rückstromklappe in ihre Ursprungsform zurück.
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Die Offenbarung umfasst ferner ein Heizgerät mit einer vorstehend beschriebenen Rückstromschutzvorrichtung, welche im Strömungsweg eines durch ein Gasgebläse zu einem Brenner geförderten Gas-Luftgemisches angeordnet ist.
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Das Heizgerät ist vorzugsweise als Gasbrennwert-Heizgerät für den Betrieb mit Wasserstoff als Brenngas des Gas-Luftgemisches ausgebildet.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
- 1 eine Explosionsdarstellung einer Rückstromschutzvorrichtung an einem Gasgebläse;
- 2 einen Einsatz der Rückstromschutzvorrichtung aus 1 in einer perspektivischen Darstellung,
- 3 den Einsatz der Rückstromschutzvorrichtung aus 2 in einer weiteren perspektivischen Darstellung.
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In 1 ist eine Explosionsdarstellung eines Gehäuseteils 20 eines Gasgebläses zur Nutzung in einem Heizgerät gezeigt, an dessen Auslassstutzen eine Rückstromschutzvorrichtung 1 über einen Aufsatz 44 oder Abströmkanal befestigt wird. Die in dem Ausführungsbeispiel gezeigte Positionierung der Rückstromschutzvorrichtung 1 ist besonders vorteilhaft, gleichwohl beispielhaft. Die Rückstromschutzvorrichtung 1 kann auch in anderen Abschnitten des Strömungswegs des Gas-Luftgemisches positioniert werden. Von dem Gasgebläse, von dem lediglich das Gehäuseteil 20 dargestellt ist, wird das Gas-Luftgemisch in der Hauptströmungsrichtung HR durch die Rückstromschutzvorrichtung 1 zum Brenner des Heizgeräts gefördert. Die Rückstromschutzvorrichtung 1 verhindert jede Art von Rückströmung in der Rückströmungsrichtung RR.
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Die Rückstromschutzvorrichtung 1 ist gebildet aus einem Tragrahmen 3, an dem die Rückstromklappe 2 in die Hauptströmungsrichtung HR aufklappbar befestigt ist, um von dem Gas-Luftgemisch in der Hauptströmungsrichtung HR durchströmt werden zu können. Diese beiden Teile sind vorzugsweise aus einem Elastomer-Formteil gebildet, sie können jedoch auch aus zwei Teilen bestehen und durch Einknüpfen oder ein Scharnier verbunden sein. Zudem umfasst die Rückstromschutzvorrichtung 1 die aus der Vielzahl der Stege 6 gebildete Stegstruktur 5, die in der gezeigten Ausführung an einem als Wechseleinsatz ausgebildeten Einsatz 4 ausgebildet ist. Alternativ kann die Stegstruktur 5 auch unmittelbar an dem Tragrahmen 3 vorgesehen werden. Der Einsatz 4 ist im montierten Zustand in den Tragrahmen 3 eingesetzt und daran befestigt. In der Gegenrichtung zur Hauptströmungsrichtung HR, d.h. die Rückströmungsrichtung RR wird die Bewegung der Rückstromklappe 2 durch die Stegstruktur 5 begrenzt. Die Rückstromklappe 2 schließt sich beim Zünden des Gas-Luftgemisches und den damit einhergehenden Druckstoß und kommt zur Anlage an die Stegstruktur 5.
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Die 2 und 3 zeigen den Einsatz 4 der der Rückstromschutzvorrichtung aus 1 detailliert in zwei perspektivischen Ansichten. Die Stege 6 bilden die Stegstruktur 5 aus zwei Querstegen 6' und drei Längsstegen 6", die in der gezeigten Ausführung senkrecht zueinander verlaufen und mehrere Kreuzungspunkte aufweisen. An den Kreuzungspunkten weisen die Stege 6 auf der Anströmseite ANS (siehe 3) der Rückströmung jeweils die Auflagepunkte 8 auf, an welchen die Rückstromklappe 2 im geschlossenen Zustand zunächst zur Anlage kommt. Die Auflagepunkte 8 begrenzen somit die Bewegung der Rückstromklappe 2 in die Rückströmungsrichtung RR. Jeweils zwischen den Auflagepunkten 8 sind an den Stegen 6 im Querschnitt gesehen kreisförmige Einsenkungen 10 ausgebildet, die sich über die gesamte Länge stetig von einem Auflagepunkt 8 zum jeweils benachbarten Auflagepunkt 8 erstrecken. Alternativ zu kreisförmigen Einsenkungen 10 können beispielsweise auch parabelförmige Einsenkungen vorgesehen werden. Sobald der Druckstoß in die Rückströmungsrichtung RR eine gewisse Größe erreicht, biegt sich die elastische Rückstromklappe 2 im Bereich der Einsenkungen 10 in Richtung der Stege 6 und kommt an dessen verrundeten Anströmkanten 31 zur Anlage. Besonders gut funktioniert dies bei einer Rückstromklappe 2 aus Silikon, FKM oder EPDM.
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Der Einsatz 4 ist einstückig ausgebildet und umfasst einen Außenrahmen 19 mit außenseitig daran ausgebildeten Haltern 21 zur Befestigung im Tragrahmen 3. Zwischen den Stegen 6 der Stegstruktur 5 sind die Durchströmungsöffnungen 17 für die Durchströmung des Gas-Luftgemisches in der Hauptströmungsrichtung HR. Die Stege 6 haben auf ihrer, in Rückströmungsrichtung RR gesehen, Abströmseite ABS eine bogenförmige, konvex gegenüber dem Außenrahmen 19 vorstehende Kontur 12. Die Kontur 12 ist sowohl bei den Querstegen 6' als auch den Längsstegen 6" vorgesehen, wobei der Verbindungsabschnitt 13 der Längsstege 6' zwischen den beiden Querstegen 6" geradlinig verläuft. Alternativ kann die Bogenform jedoch auch bei den Längsstegen 6' durchgängig sein. Im Außenrahmen 19 sind auf der Abströmseite ABS mehrere Aussparungen 18 ausgebildet. Die Abströmkanten 11 der Steg 6 auf der Abströmseite ABS sind ebenfalls verrundet ausgebildet.
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Alternativ zum im Ausführungsbeispiel gemäß 1 gezeigten Tragrahmen 3 können auch andere Halterungen eingesetzt werde, beispielsweise können die Rückstromklappe 2 und der Einsatz 5 auch unmittelbar an einem Gehäuseteil des Gasgebläses gehalten oder in den Aufsatz 44 integriert werden.
