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Die Erfindung betrifft einen Brenner, insbesondere für ein mit einem Brenngas betreibbares Heizgerät, und ein Verfahren zu seinem Betrieb.
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Bei Versorgungsnetzen, aus denen Brenngase an Verbraucher geliefert werden, wurde bisher auf eine lange Zeit gleichbleibende Zusammensetzung des Brenngases geachtet, weil für verschiedene Brenngase auch unterschiedliche Eigenschaften von Brennern sinnvoll sind und man ein häufiges Auswechseln oder Umstellen möglichst vermeiden wollte. In Zukunft könnte Wasserstoff als Brenngas oder als Beimischung zu Brenngasen jedoch immer wichtiger werden, und daher werden große Anstrengen unternommen, neue oder auch existierende Heizgeräte für einen Betrieb damit zu ertüchtigen. Dabei geht es nicht nur um große Anlagen, sondern auch um Wandgeräte zur Erwärmung von Wasser und generell um Heizgeräte für die Beheizung von Gebäuden und/oder die Bereitstellung von warmem Wasser. Es wäre ggf. möglich, den Wasserstoffgehalt in Versorgungsnetzen in mehreren Schritten heraufzusetzen (bis hin zu Versorgungsnetzen mit mehr als 97% Wasserstoffanteil im Brenngas), so dass für die dann jeweils notwendigen oder sinnvollen Änderungen an Heizgeräten und Brennern Lösungen gefunden werden müssen.
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In modernen Heizgeräten werden Vormischbrenner eingesetzt, bei denen zunächst Luft und Brenngas in geeignetem Verhältnis (zur schadstoffarmen Verbrennung) vorgemischt, einem Brenner zugeführt und das Gemisch dann durch Öffnungen in einem Brennerkörper in einen Verbrennungsraum geblasen wird, wo es unter Bildung von Flammen verbrennt. Ein typischer Brennerkörper hat eine zylindrische Form (andere Formen sind aber auch möglich) und ragt in einen Verbrennungsraum hinein, wobei sich an seiner Mantelfläche Öffnungen befinden, durch die das Gemisch strömt. Die Öffnungen bilden zusammen eine effektive freie Querschnittsfläche, deren Größe bestimmt, wieviel Gemisch bei vorgegebenen Bedingungen (Druck, Temperatur, Art des Brenngases, Feuchtigkeit im Gemisch etc.) in den Verbrennungsraum strömt. Diese effektive freie Querschnittsfläche ist nicht unbedingt gleich der Summe der Querschnittsflächen der einzelnen Öffnungen, da es für die Durchströmung einer Öffnung unter anderem auf deren Form und Größe ankommt, so dass viele kleine Öffnungen weniger Gemisch durchlassen als wenige große gleicher Gesamtquerschnittsfläche. Auch lässt ein schmaler Schlitz weniger Gemisch durch als eine kreisrunde Öffnung mit gleicher Querschnittsfläche. Die Öffnungen in einem Brennerkörper müssen außerdem bestimmte Aufgaben erfüllen, nämlich einerseits die Verteilung von Gemisch im Verbrennungsraum, andererseits die Verhinderung des Rückschlagens von Flammen in den Brenner, also in das Innere des Brennerkörpers, sowie das Erreichen einer gewünschten Ausströmgeschwindigkeit, die an eine Flammengeschwindigkeit des jeweiligen Gemisches bei der Verbrennung angepasst ist. Idealerweise sollten die Öffnungen, die man als kleine Kanäle in dem Brennerkörper betrachten kann, solche Querschnitte haben, dass eine Flamme beim Durchtritt erlöschen würde. Aufgrund von Berechnungen und langjährigen Erfahrungen gibt es so für jeden Brennertyp und verschiedene Brenngase bestimmte Anordnungen (Muster) und Dimensionierungen von Öffnungen, die sich bei gewünschten Betriebsbedingungen als sinnvoll erwiesen haben und die richtige effektive Querschnittsfläche liefern. Dabei müssen die Öffnungen nicht unbedingt kreisrund sein und es ist auch nicht zwingend ein regelmäßiges oder homogenes Muster erforderlich. Bei der Fertigung eines Brennerkörpers spielen auch die Kosten, insbesondere für das Erzeugen der Öffnungen, eine wichtige Rolle. Bei signifikanten Änderungen der Zusammensetzung des Brenngases musste im Allgemeinen der Brennerkörper ausgewechselt werden. Von der Tendenz zeigt sich jedenfalls, dass ein steigender Anteil von Wasserstoff im Brenngas zu einer geringeren benötigten effektiven freien Querschnittsfläche führt. Da ein Brennerkörper im Inneren eines Verbrennungsraumes angeordnet ist, ist sein Auswechseln aufwändig, obwohl er meistens an einer Tür oder Wartungsklappe an dem Verbrennungsraum montiert oder auf andere Weise zugänglich ist. Außerdem ist es wünschenswert, alle Teile eines Heizgerätes sehr langlebig zu gestalten, darunter auch den Brennerkörper, um ein Auswechseln während einer geplanten Lebensdauer zu vermeiden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschildeten Probleme wenigstens teilweise zu lösen, indem ein an verschiedene Brenngase anpassbarer Brennerkörper und ein Verfahren zu seinem Betreib geschaffen werden, die einen Austausch des Brennerkörpers bei einer Änderung der Brenngaszusammensetzung nicht mehr zwingend erforderlich machen. Insbesondere soll eine Verwendung bzw. ein Betrieb des Brennerkörpers für alle derzeit und in Zukunft verwendeten Brenngase bis hin zu reinem Wasserstoff möglich sein.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren und ein Brenner, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens, sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, veranschaulicht die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.
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Hierzu wird ein Brenner mit einem Brennerkörper, der mit Öffnungen zum Durchtritt eines Gemisches aus Luft und einem Brenngas versehen ist, an Brenngase mit unterschiedlichen Eigenschaften angepasst, wobei die Öffnungen zusammen eine effektive freie Querschnittsfläche aufweisen bzw. ausbilden, die bei vorgebbaren Bedingungen die Menge an Gemisch bestimmt, welches pro Zeiteinheit durch die Öffnungen strömt. Dabei ist der Brennerkörper aus mindestens zwei relativ zueinander bewegbaren und dabei die freie Querschnittsfläche verändernden Teilkörpern aufgebaut, die in Abhängigkeit von den Eigenschaften eines zuzuführenden Brenngases so zueinander bewegt werden, dass eine an das zuzuführende Brenngas angepasste freie Querschnittsfläche gebildet wird.
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Ein wesentlicher Aspekt ist die einfache mechanische (geometrische) Veränderbarkeit der Brennkörpers durch Relativbewegung von zwei oder mehr Teilkörpern zueinander statt eines Auswechselns. Einer der Teilkörper ist dabei insbesondere an einer Tür oder Klappe oder jedenfalls einer Wand eines Verbrennungsraumes befestigt und der oder die anderen Teilkörper sind relativ dazu beweglich angeordnet.
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Bevorzugt wird die Zahl der von dem Gemisch durchströmbaren Öffnungen und/oder die Größe von mindestens einem Teil der Öffnungen durch Bewegen der Teilkörper relativ zueinander verändert. Im einfachsten Fall kann ein Teilkörper eine Art Kappe ohne eigene Öffnungen für den anderen Teilkörper mit Öffnungen bilden, die bei Relativbewegung immer mehr Öffnungen verschließt bzw. freigibt. Eine andere Möglichkeit ist, dass ein Teil oder alle Öffnungen aus Paaren von (übereinanderliegenden) Öffnungen in zwei Teilkörpern mit korrespondierenden Öffnungsmustern gebildet werden, wobei sich durch Relativbewegung die freie Querschnittsfläche der Öffnungen ändert. Dabei sind viele Kombinationen von Mustern und Formen der Öffnungen möglich, die den gewünschten Zweck erreichen.
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Besonders bevorzugt sind die Teilkörper koaxial zueinander bzw. teleskopartig ineinander angeordnet und können durch axiales Verschieben und/oder Drehen relativ zueinander bewegt werden. Ein koaxialer bzw. teleskopartiger Aufbau ist mit zwei oder mehr Teleskopelementen möglich und auch nicht notwendigerweise auf kreisrunde Querschnitte der Teilkörper beschränkt. Nicht kreisrunde Teilkörper können aber nur in axialer Richtung relativ zueinander bewegt werden. Zweckmäßig ist, dass die Teilkörper gegeneinander abgedichtet sind, so dass nur wenig oder kein Gemisch durch Spalte zwischen ihnen in den Verbrennungsraum gelangen kann. Am günstigsten ist es, wenn die Teilkörper in einem Überlappungsbereich im Wesentlichen so dichtend aneinander liegen (bzw. gleiten), dass wenig oder kein Gemisch in einem Zwischenraum zwischen ihnen fließen kann.
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Bei einfachen Ausführungen wird die Anpassung manuell nach Bedarf durchgeführt. Sofern nur selten eine Änderung der Zusammensetzung des Brenngases erfolgt, reicht es aus, wenn der Brennerkörper manuell an eventuelle Änderungen angepasst wird. Für eine solche manuelle Anpassung kann der Brennerkörper ggf. mit einer Art Griff oder Hebel versehen sein, der die gewünschte Relativbewegung entsprechend den Vorgaben umsetzt.
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Bevorzugt, insbesondere für Versorgungsnetze mit sich öfter ändernder Zusammensetzung des Brenngases, erfolgt die Anpassung automatisch bei Feststellung einer Änderung der Eigenschaften des Brenngases. Moderne Sensoriken und Steuer- und Regeleinheiten können Änderungen der Zusammensetzung des benutzten Brenngases erkennen und darauf mit einer veränderten Regelung einer Heizanlage reagieren. Dies erlaubt auch eine automatische Verstellung des Brennerkörpers bei Bedarf, sofern eine für eine automatische Verstellung geeignete Mechanik vorhanden ist.
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Ein weiterer Aspekt betrifft einen Brenner, insbesondere zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, mit einem Brennerkörper, der aus mindestens zwei Teilkörpern besteht, von denen ein innerer Teilkörper koaxial bzw. teleskopartig in einem äußeren Teilkörper angeordnet ist, wobei mindestens ein Teilkörper mit Öffnungen zum Durchtritt eines Gemisches aus Luft und einem Brenngas versehen sind, die zusammen eine effektive freie Querschnittsfläche aufweisen bzw. ausbilden, und wobei durch eine Relativbewegung der beiden Teilkörper zueinander die freie Querschnittsfläche zum Durchtritt des Gemisches veränderbar ist. Teleskopartig bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Teilkörper in ihrer Querschnittsform korrespondieren und gegeneinander in einer axialen Richtung verschiebbar und/oder (bei kreisförmigen Querschnitten) gegeneinander verdrehbar sind. Insbesondere gibt es jeweils einen Überlappungsbereich zwischen zwei Teilkörpern, in dem die Teilkörper sich flächig gegenüberliegen bzw. aneinander gleiten.
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Bevorzugt ist durch die Relativbewegung die Anzahl der von dem Gemisch durchströmbaren Öffnungen und/oder der durchströmbare Querschnitt mindestens eines Teils der Öffnungen veränderbar. Wie oben beschrieben kann im einfachsten Fall ein Teilkörper ohne Öffnungen mehr oder weniger weit über oder in einen anderen Teil mit Öffnungen geschoben werden, wodurch sich die Zahl der freien Öffnungen verändert.
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Alternativ sind auch Ausführungsformen der Erfindung vorteilhaft, bei denen mindestens einer der Teilkörper mindestens ein Fenster mit einer Fensterfläche von 1 bis 50%, vorzugsweise zwei oder mehr Fenster mit einer Gesamtfensterfläche von 25 bis 50%, einer Gesamtmantelfläche des Teilkörpers aufweist und der andere Teilkörper zu jedem Fenster mindestens zwei zur Deckung mit dem Fenster bringbare korrespondierende Flächen mit unterschiedlichen effektiven freien Querschnittsflächen aufweist. Dies ist bevorzugt eine Ausführungsform für gegeneinander verdrehbare Teilkörper, von denen einer Öffnungen in unterschiedlichen Mustern und/oder in unterschiedlicher Zahl und/oder mit unterschiedlichen Querschnitten aufweist und zwar so, dass bei verschiedenen Stellungen des Fensters oder der Fenster des anderen Teilkörpers unterschiedliche effektive Querschnittsflächen von dem Fenster freigegeben werden. Dies erlaubt es z. B. die Hälfte der Mantelfläche eines Teilkörpers mit vielen kleinen Öffnungen zu versehen und die andere Hälfte mit wenigen großen, die so angeordnet sind, das von einem oder mehreren Fenstern in dem anderen Teilkörper jeweils eine Hälfte der Öffnungen freigebbar ist (oder auch in einer Zwischenstellung eine Kombination aus beiden Teilmengen an Öffnungen). Eine große Variationsbreite dieses Konzeptes ist möglich, sowohl was die Anordnung der Fenster als auch die Art der Muster, in denen die Öffnungen angeordnet sind, angeht. Auch Kombinationen, bei denen auf beiden Teilkörpern Öffnungen und Fenster vorhanden sind, sind möglich, wobei nur keine Stellungen der Teilkörper zueinander sinnvoll sind, bei denen Fenster auf beiden Teilkörpern überlappen. Es kann aber durchaus auch mehr als zwei zu jedem Fenster korrespondierende Flächen mit unterschiedlichen effektiven Querschnittsflächen ihrer Öffnungen geben. Bei solchen Ausführungsformen tritt Brenngas nicht gleichmäßig über die gesamte Mantelfläche der kombinierten Teilkörper aus, sondern jeweils nur aus den Bereichen, wo Fenster und Öffnungen übereinander vorhanden sind, aber dies beeinträchtigt die Funktion eines Brenners nicht oder nur unwesentlich. Es kann sogar als Vorteil für eine gewünschte ungleichmäßige Verteilung genutzt werden.
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Besonders bevorzugt wegen der besseren Platzausnutzung weisen beide Teilkörper eine Vielzahl von Öffnungen auf, die in zueinander korrespondierenden Mustern angeordnet sind, so dass zumindest ein Teil der freien Querschnittsfläche durch paarweise übereinanderliegende Öffnungen in beiden Teilkörpern gebildet wird. Dies ist besonders günstig, wenn die Muster in einer axialen Richtung periodisch sind, weil dann der zweite Teilkörper jeweils um die Länge einer Periode axial verschoben werden kann, wodurch stufenweise jeweils mehr freie Öffnungen im gesamten Brennerkörper entstehen, teilweise durch einzelne Öffnungen, teilweise durch Paare gebildet. So kann ein aus zwei Teilkörpern bestehender Brennerkörper fast um einen Faktor 2 in seiner axialen Länge (und Anzahl Öffnungen) verändert werden.
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In einer besonders einfachen Ausführungsform haben die Öffnungen jeweils eines Öffnungspaares gleiche Form und Größe. Man kann sich dies z. B. so vorstellen, dass die Öffnungen gleichzeitig in zwei ineinander liegende Teilkörper eingebracht (z. B. gebohrt) werden, so dass sie in einer Grundeinstellung miteinander fluchten. Jede geringfügige Verdrehung und/oder axiale Verschiebung eines Teilkörpers bis zur Dimension der Öffnungen gegenüber dem anderen führt dann zu einer Verkleinerung der freien Querschnittsfläche aller aus Paaren gebildeten Öffnungen in einem Überlappungsbereich.
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In einer anderen Ausführungsform haben die Öffnungen jeweils eines Öffnungspaares unterschiedliche Form und/oder unterschiedliche Größe. Dies erhöht die Variationsmöglichkeiten für die Öffnungen in fast beliebiger Weise. So können Paare von Öffnungen gebildet werden, die durch unterschiedliche Dimensionen und/oder Form (Dreieck, Schlitz, Oval, Ellipse etc.) in einem oder beiden Teilkörpern fast ein beliebiges Verhalten der effektiven freien Querschnittsfläche bei Relativbewegungen der Teilkörper aufweisen. Es sind auch Anordnungen von Öffnungen derart möglich, dass man die Anzahl an offenen Öffnungspaaren durch sehr geringe Verdrehungen oder axiale Verschiebungen z. B. verdoppeln oder halbieren kann, und zwar mit Relativbewegungen in der Größenordnung der Abstände der einzelnen Öffnungen.
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Bei einer einfachen Ausführungsform ist die Relativbewegung manuell vornehmbar und jede Position der Teilkörper zueinander manuell fixierbar, beispielsweise durch Rastungen oder Schrauben. Für seltene Anpassungen an geänderte Brenngase im Rahmen von Wartungsarbeiten ist dies ausreichend, und es kann jedenfalls ein Brennerkörper über die ganze Lebensdauer eines Heizgerätes eingesetzt werden
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Wenn ein geeignetes Bewegungselement an einem der Teilkörper vorhanden ist, das eine automatische Bewegung der Teilkörper zueinander ermöglicht, kann eine automatische Anpassung an Änderungen in der Zusammensetzung des Brenngases erfolgen. Geeignete Stellglieder bzw. Bewegungselemente können außerhalb des Verbrennungsraumes angeordnet sein und über ein Schub- oder Drehelement eine Bewegung in den Verbrennungsraum übertragen.
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Ein weiterer Aspekt betrifft auch ein Computerprogramprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass der beschriebene Brennerkörper das beschriebene Verfahren ausführt. Die Auswertung der von Sensoren gemessenen Daten über das Brenngas oder anderweitig vorgegebener Daten zur Kalibrierung und zum Betrieb und deren weitere Verwendung im Heizgerät benötigen ein Programm und Daten für die Steuerung des Heizgerätes, wobei beides gelegentlich aktualisiert werden muss. Dazu kann ein solches Computerprogrammprodukt beitragen.
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Die Erläuterungen zum Verfahren können zur näheren Charakterisierung des Brenners herangezogen werden, und umgekehrt. Der Brenner kann auch so eingerichtet sein, dass damit das Verfahren durchgeführt wird.
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Schematische Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise des Verfahrens werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:
- 1: in schematischer Darstellung einen Verbrennungsraum mit einem Brenner,
- 2: eine separate Darstellung des Brennerkörpers aus 1 in teilweise eingefahrenem Zustand,
- 3: einige Beispiele für Öffnungspaare, wie sie von der Erfindung umfasst sind und
- 4, 5 ein Ausführungsbeispiel eines Brennerkörpers mit gegeneinander bewegbaren Teilkörpern, von denen mindestens einer großflächige Fenster hat.
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1 zeigt schematisch einen Verbrennungsraum 2 mit einem Gehäuse 1 und einem Brenner 4. Der Brenner 4 ist an einer Tür 3 (oder Wartungsklappe) im Gehäuse 1 befestigt, und ein Brennerkörper 6 des Brenners 4 ragt in einer axialen Richtung in den Verbrennungsraum 2 hinein. Durch Öffnungen 10 im Brennerkörper 6 kann ein Gemisch aus Luft und Brenngas in den Verbrennungsraum 2 strömen und dort unter Bildung von Flammen 5 verbrannt werden. Für eine optimale Verbrennung müssen viele Parameter richtig gewählt werden, wobei insbesondere die effektive freie Querschnittsfläche (wie oben erklärt) aller Öffnungen 10 gemeinsam eine wichtige Rolle spielt. Diese entscheidet mit über die Qualität der Verbrennung, die Stabilität der Flammen 5 und die Sicherheit des Betriebes, z. B. gegen Rückschlag der Flammen 5 in einen Innenraum 9 des Brennerkörpers 6. Für verschiedene Brenngase werden im Allgemeinen auch unterschiedliche effektive freie Querschnitte benötigt, was bisher bei einer Änderung des Brenngases auch ein Auswechseln des Brennerkörpers 6 oder zumindest Änderungen an diesem erforderte.
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Im vorliegenden Fall ist nunmehr die effektive freie Querschnittsfläche der Öffnungen des Brennerkörpers 6 veränderbar. Dies wird erreicht durch eine Teilung des Brennerkörpers 6 in mindestens zwei Teilkörper 7, 8, die nach Art eines Teleskopes ineinander angeordnet sind. Ein innerer Teilkörper 7 ist an der Tür 3 befestigt, während ein äußerer Teilkörper 8 beweglich auf den inneren Teilkörper 7 aufgeschoben ist (oder umgekehrt). Bei kreisrunden Querschnitten (also zylindrischen Teilkörpern 7, 8) sind die beiden Teilkörper 7, 8 daher konzentrisch (koaxial) angeordnet, und zwar bevorzugt so nah beieinander (in einer Art Schiebesitz), dass im Wesentlichen keine Strömung von Gemisch in einem Zwischenraum zwischen den Teilkörpern 7, 8 möglich ist und daher auch im Wesentlichen kein Gemisch zwischen den Teilkörpern 7, 8 in den Verbrennungsraum 2 strömen kann. Falls erforderlich kann dies durch eine nicht dargestellte Dichtung sichergestellt werden. Auch bei nicht runden Querschnitten der Teilkörper 7, 8 liegen deren überlappende Flächen entsprechend aneinander. Mit diesem grundsätzlichen Aufbau des Brennerkörpers 6 aus mindestens zwei Teilkörpern 7, 8 lassen sich bezüglich der Variabilität der gesamten effektiven freien Querschnittsfläche aller Öffnungen 10 verschiedene Wege zu deren Anpassung an verschiedene Brenngase beschreiten. Wie oben beschrieben ist der einfachste Weg, einen der Teilkörper 7, 8 ohne Öffnungen 10 auszugestalten und den anderen mit einer effektiven freien Querschnittsfläche seiner Öffnungen 10 zu versehen, die der maximal benötigten entspricht. Beim Auf- oder Einschieben des Teilkörpers ohne Öffnungen 10 werden immer mehr Öffnungen 10 verschlossen, so dass jede gewünschte kleinere effektive freie Querschnittsfläche eingestellt und der bewegliche Teilkörper 8 in jeder Stellung fixiert werden kann. Eine solche Anordnung benötigt aber etwa doppelt so viel Platz in der axialen Richtung wie ein einfacher Brennerkörper mit maximaler effektiver freier Querschnittsfläche. Um eine Einstellung von außerhalb des Verbrennungsraumes 2 vornehmen zu können, ist eine Bewegungsstange 12 an dem beweglichen Teilkörper 8 befestigt (vorzugsweise mittig für Drehen und Schieben), die durch eine Durchführung 13 in der Tür 3 nach außen geführt ist, wobei für eine automatische Betätigung auch ein Antrieb 14 vorhanden sein kann. Die Möglichkeiten zu einer Rotation oder Verschiebung sind durch Pfeile angedeutet. Ob der bewegliche Teilkörper 8 innen oder außen liegt, ist für die beschriebenen Funktionen nicht von Bedeutung, bevorzugt liegt er aber außen.
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In 2 wird anhand einer separaten Darstellung des Brennerkörpers 6 aus 1 gezeigt, welche weiteren Möglichkeiten zur Variation der effektiven freien Querschnittsfläche es noch gibt. Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass der innere 7 und der äußere 8 Teilkörper korrespondierende Muster an gleichen Öffnungen 10 haben, und zwar mit einer Periodizität P (Abstand von zwei sich wiederholenden Mustern) in axialer Richtung. Im Ausführungsbeispiel ist ein sehr einfaches Muster aus Reihen von kreisrunden Öffnungen 10 in Umfangsrichtung dargestellt, wobei der Abstand der Reihen der Periodizität P entspricht. Es sind aber auch wesentlich komplexere Muster möglich, sofern sie nur eine Periodizität P aufweisen. Sind die beiden Teilkörper 7, 8 vollständig oder teilweise (wie in 2 gezeigt) ineinandergeschoben (und bezüglich Rotation richtig ausgerichtet), so bilden alle oder ein Teil der Öffnungen 10 in einem Überlappungsbereich U der beiden Teilkörper 7, 8 jeweils Öffnungspaare 11. Durch relatives Verschieben um jeweils eine Periodizität P kann eine zusätzliche Anzahl Öffnungen 10 aktiviert werden bis alle Öffnungen 10 in beiden Teilkörpern 7, 8 keine Paare mehr bilden. In einem Zwischenzustand zeigt 2 die beiden Teilkörper 7, 8, wobei der Brennerkörper 6 dabei eine axiale Länge L erreicht, die kleiner als die maximal mögliche ist. Eine axiale Verschiebung der beiden Teilkörper 7, 8 ist jedoch nicht die einzige Möglichkeit, die effektive freie Querschnittsfläche zu beeinflussen. Wie aus 2 auch mittelbar erkennbar ist, würde bei vollständig oder teilweise zusammengeschobenen Teilkörpern 7, 8 eine relative Bewegung zueinander (Drehung um die Längsachse oder axiale Verschiebung) den freie Öffnungsquerschnitt aller oder eines Teils der Öffnungspaare 11 verändern (verkleinern), wobei schon eine Drehung und/oder axiale Verschiebung um die Dimension der Öffnungen 10 diese vollständig verschließen würde. Dieser Effekt bietet weitere vielfältige Möglichkeiten zur signifikanten Beeinflussung der effektiven freien Querschnittsfläche eines so aufgebauten Brennerkörpers 6 durch sehr kleine Dreh- oder Schiebebewegungen. Hier kommt als zusätzlicher Freiheitsgrad die Gestaltung und Dimensionierung von korrespondierenden Öffnungen 10 hinzu, die jeweils Öffnungspaare 11 bilden. Auf diese Weise kann nicht nur die Anzahl der durch Öffnungspaare 11 gebildeten Öffnungen 10 verändert werden, sondern es können auch deren einzelne Querschnittsflächen verändert werden.
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Es sei aber darauf hingewiesen, dass es auch vereinfachte Ausführungsformen geben kann, wenn zwischen den beiden Teilkörpern ein Zwischenraum vorhanden ist, in dem Gemisch (weitgehend unbehindert) strömen kann, also insbesondere z. B. mehr als 5 mm [Millimeter] Zwischenraum, möglichst mit einem Öffnungsspalt zum Innenraum 9 des Brennerkörpers 6, aber mit einer Dichtung (z. B. einem Schiebesitz) zum Verbrennungsraum 2 hin. In diesem Fall spielt die Anordnung der Öffnungen 10 auf beiden Teilkörpern 7, 8 keine Rolle, da alle Öffnungen 10 direkt oder über den Zwischenraum mit dem Innenraum 9 kommunizieren und sich daher beim Ausschieben des äußeren Teilkörpers 8 immer mehr Öffnungen 10 zum Verbrennungsraum 2 hin öffnen. Diese Ausführungsform kann Vorteile haben, da unterschiedliche thermische Ausdehnungen der beiden Teilkörper 7, 8 im Betrieb eine präzise Anordnung von Öffnungspaaren 11 erschweren und auch die relative Beweglichkeit der Teilkörper 7, 8, wenn diese dicht aneinander liegen, einschränken können. Mit einer solchen vereinfachten Ausführungsform lässt sich insbesondere auf einfache Weise ein Brennerkörper 6 gestalten, der für nur zwei Brenngase optimiert ist, z. B. für Erdgas im ausgeschobenen Zustand und für Wasserstoff im eingeschobenen Zustand.
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3 zeigt in schematischer perspektivischer Darstellung verschiedene Möglichkeiten zur Bildung und Veränderung von Öffnungspaaren, wobei die Veränderungen durch kleine (in der Größenordnung der Ausdehnung der einzelnen Öffnungen) axiale Verschiebungen und/oder durch Drehungen jeweils eines der Teilkörper 7, 8 bewirkt werden können. 3 zeigt aneinander liegende Ausschnitte aus den beiden Teilkörpern 7, 8 und von links nach rechts unterschiedliche Kombinationen und Konstellationen von Formen von Öffnungspaaren 11. Links ist die einfachste Kombination von zwei gleich großen runden Öffnungen gezeigt, die durch Verschieben aus einer fluchtenden Position einen immer kleineren Öffnungsquerschnitt freigeben. Daneben sind zwei gleichsinnig angeordnete Schlitze dargestellt, die einen sehr weiten Bereich an variabler Querschnittsfläche abdecken können. Weiter sind zwei gekreuzte Schlitze dargestellt, welche bei kleinen Relativbewegungen in beliebiger Richtung keine Änderung des freien Querschnitts erfahren, so dass sie bei bestimmten Bewegungen einen konstanten Anteil an freier Querschnittsfläche beitragen können. Ähnlich ist es für die Kombination aus großer und kleiner runder Öffnung. Das gleiche gilt auch für die folgende Kombination aus Schlitz und runder Öffnung, aber nur für eine Bewegungsrichtung. Mit komplexen Mustern aus solchen Formen von Öffnungen 10 in den Teilkörpern 7, 8 kann man insbesondere den Brennerkörper 6 so gestalten, dass er sich in zwei oder mehr für bestimmte Brenngase optimierte Konstellationen bringen lässt, die genau das Flammenbild erzeugen, welches einzelne Brenner nach dem Stand der Technik für diese Brenngase auch haben würden.
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4 und 5 veranschaulichen eine andere Ausführungsform der Erfindung, die wenig empfindlich gegen unterschiedliche thermische Ausdehnungen der Teilkörper ist, aber auch mit den anderen beschriebenen Formen kombinierbar ist, und zwar zeigt 4 einen inneren Teilköper 7, während 5 einen auf diesem drehbaren äußeren Teilkörper 8 darstellt. Es sei aber darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch jeweils die Vertauschung von „innerem“ und „äußerem“ Teilkörper umfasst und dass auch Ausführungsformen mit einer axialen Verschiebung statt einer Drehung möglich sind. 4 zeigt beispielhaft, dass auf dem inneren Teilkörper 7 verschiedene Flächen 17, 18 mit jeweils unterschiedlichen und/oder unterschiedlich angeordneten Öffnungen 10. Der äußere Teilkörper 8 in 5 hat zu den Flächen 17, 18 korrespondierende großflächige Fenster 16, die so angeordnet sind, dass sie je nach relativer Verdrehung zu dem inneren Teilkörper 7 verschiedene Flächen 17, 18 freigeben bzw. verdecken. Unter großflächig wird hier verstanden, dass ein Fenster 16 eine Mehrzahl von Öffnungen 10 freigeben kann, insbesondere 10 bis 500, bevorzugt 50 bis 100. Das dargestellte besonders einfache Beispiel hat Flächen 18, deren Öffnungen z. B. für Wasserstoff ausgelegt sind (viele Öffnungen mit kleinem Querschnitt), und andere Flächen 17, die z. B. für Erdgas ausgelegt sind. Je nach Relativdrehung geben die Fenster 16 des äußeren Teilkörpers 8 nur eine Sorte an Flächen frei, so dass der Brennerkörper 6 durch Drehen des äußeren Teilkörpers 8 zwischen Erdgas-Betrieb und Wasserstoff-Betrieb umgestellt werden kann. Die Fenster 16 im äußeren Teilkörper 8 können bis zu 50% von dessen Gesamtmantelfläche 20 ausmachen, es sind aber auch kleinere (immer noch gegenüber den Öffnungen 10 großflächige) Fenster und korrespondierend anders gestaltete Flächen 17, 18 mit jeweils 1 % oder mehr der Gesamtmantelfläche 20 möglich, je nach gewünschten Einstellmöglichkeiten und erforderlicher Stabilität des äußeren Teilkörpers 8. Mit einer genügenden Anzahl an Fenstern, die z. B. auch versetzt und/oder in einem schachbrettartigen Muster angeordnet sein können (mit entsprechenden korrespondierenden Flächen 17, 18), kann sogar eine fast gleichmäßige Verteilung des Gemisches in einem Verbrennungsraum 2 um einen Brenner 6 erreicht werden für zwei oder mehr unterschiedliche Einstellungen der Teilkörper 7, 8 zueinander.
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Es ist aus den Ausführungsbeispielen, auf die die Erfindung nicht beschränkt ist, erkennbar, dass das Konzept eines Brenners aus zwei oder mehr ineinandergeschobenen und relativ zueinander beweglichen Teilkörpern sehr viele Möglichkeiten eröffnet, den Brennerkörper an unterschiedliche Brenngase mit unterschiedlichen Anforderungen an die effektive freie Querschnittsfläche seiner Öffnungen anzupassen, indem Öffnungen in dem einen Teilkörper je nach relativer Lage zu dem anderen mehr oder weniger von dem anderen Teilkörper abgedeckt oder verändert werden. Kombinationen aller beschriebenen Maßnahmen sind möglich.
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Die vorliegende Erfindung erlaubt es, Brenner ohne Austausch des Brennerkörpers an verschiedene Brenngase anzupassen und dadurch heute hergestellte Brenner schon für später zu nutzende Brenngase, insbesondere wasserstoffhaltige Brenngase oder reinen Wasserstoff, vorzubereiten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Verbrennungsraum
- 3
- Tür (Wartungsklappe)
- 4
- Brenner
- 5
- Flammen
- 6
- Brennerkörper
- 7
- Innerer Teilkörper
- 8
- Äußerer Teilkörper
- 9
- Innenraum (des Brennerkörpers)
- 10
- Öffnungen
- 11
- Öffnungspaare
- 12
- Bewegungsstange (Schieben/Drehen)
- 13
- Durchführung
- 14
- Antrieb
- 15
- Flächen
- 16
- Fenster
- 17
- erstes Öffnungsmuster
- 18
- zweites Öffnungsmuster
- 19
- Fensterfläche
- 20
- Gesamtmantelfläche
- L
- axiale Länge
- P
- periodischer Abstand
- U
- Überlappungsbereich
