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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verminderung der Folgen eines Flammenrückschlages in einen Brenner, der mit einem Gemisch aus einem Brenngas und Luft betrieben wird (Vormisch-Brenner), insbesondere für ein Heizgerät.
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Wasserstoff als Brenngas oder als Beimischung zu Brenngasen wird immer wichtiger, und es 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. Brenner für solche Zwecke haben häufig einen Brennerkörper aus gelochtem Blech und können als sogenannte Flach- oder Zylinderbrenner ausgeführt werden. Meist werden runde Löcher verwendet, aber auch längliche Schlitze und andere Formen der Löcher sind möglich. Die Dimensionierung der Löcher sowie deren Anzahl/Flächeneinheit und Anordnung hat Einfluss auf die Flammenstabilität bei einer Verbrennung in einem Verbrennungsraum sowie auf die Verbrennungshygiene (Vollständigkeit der Verbrennung und Produktion von Schadstoffen). Je nach Eigenschaften eines eingesetzten Brenngases kann es bei gegebenem Brenner dazu kommen, dass die Flamme nicht - wie gewünscht - auf oder kurz oberhalb einer Brenneroberfläche brennt, sondern in das Lochblech hineinwandert und sich das Brenngas-Luftgemisch (im Folgenden auch einfach als Gemisch bezeichnet) bereits ungewollt auf der Innenseite des Lochbleches entzündet. Dies kann, insbesondere bei häufigem Auftreten zu thermischer Überlastung von Bauteilen im Brenner und/oder in einem vorgelagerten Gemischweg führen. Die Gefahr eines solchen Rückzündens, auch Flammenrückschlag genannt, ist dann besonders groß, wenn die Flammengeschwindigkeit des jeweiligen Brenngas-Luftgemisches höher ist als die Ausström-Geschwindigkeit an den Brennerlöchern/-schlitzen. Dies ist insbesondere beim Einsatz von reinem Wasserstoff als Brenngas oder Brenngas mit einem Wasserstoffanteil von z. B. 10% oder mehr der Fall.
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Es ist daher einerseits sinnvoll, das Risiko eines Flammenrückschlag durch geeignete Betriebsparameter zu minimieren und dennoch auftretende Flammenrückschläge schnell zu detektieren und die Brenngaszufuhr zu beenden, wozu verschiedene Sensoren und die Auswertung von deren Signalen dienen können. Andererseits hat sich bei Untersuchungen gezeigt, dass sich bei einem Flammenrückschlag das Volumen an Gemisch in dem Brennerkörper sehr schnell komplett entzündet und dann zunächst eine Druckwelle in den Gemischweg vor dem Brenner auslöst, gefolgt von einer Flammenfront, so dass sich das Gemisch im Gemischweg ebenfalls entzündet und dort umso heftiger brennt und Wärme entwickelt je größer der Wasserstoffanteil im Brenngas ist. Dies kann insbesondere bei Vormisch-Brennern, bei denen das Brenngas bereits vor einem Gebläse zugemischt wird, zu Schäden am Gebläse führen, insbesondere wenn es Teile (z. B. ein Lüfterrad) aus Kunststoff enthält, was im Allgemeinen der Fall ist.
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Bisher wird der Gemischweg in Heizgeräten hauptsächlich in Bezug auf die Zuführung von Gemisch zum Brenner optimiert, um den Energieaufwand für die Zuführung (und damit die Leistung des Gebläses) gering zu halten. Besondere konstruktive Maßnahmen zur Beherrschung eines Flammenrückschlages oder zur Minderung von dessen Folgen wurden nicht gezielt getroffen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik genannten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere sollen konstruktive Maßnahmen am oder im Gemischweg getroffen werden, die die Folgen eines Flammenrückschlages vermindern und so Schäden an Bauteilen des Gemischweges oder Gebläses vermeiden helfen. Dabei sollen keine beweglichen Teile im Gemischweg verwendet werden, um eine wartungsfreie lange Lebensdauer zu ermöglichen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Anordnung gemäß dem unabhängigen Anspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, veranschaulicht die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.
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Dazu trägt eine Anordnung bei zur Verminderung der Folgen eines Rückschlages einer Flamme in einen Gemischweg eines Vormischbrenners in einem Heizgerät, welches mit einem Gemisch aus Brenngas und Luft betreibbar ist, wobei der Gemischweg zwischen einem Brennerkörper und einem Gebläse so gestaltet ist, dass er die Funktion einer fluidischen Diode aufweist bzw. als fluidische Diode ausgeführt ist, nämlich für unterschiedliche Strömungsrichtungen und/oder unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten unterschiedliche Strömungswiderstände aufweist.
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Bei einer fluidischen Diode handelt es sich insbesondere um eine passive Vorrichtung, die einen geringen Strömungswiderstand in der Vorzugsrichtung als in der Gegenrichtung aufweist. Die fluidische Diode kann in einem oder mehreren Teilabschnitten des Gemischweges ausgebildet sein. Es ist möglich, dass eine oder mehrere fluidische Dioden mit einer unterschiedlichen Anzahl, Form, Ausrichtung und/oder Dimension von Strömungsbeeinflussern ausgebildet ist. Solche Strömungsbeeinflusser können in dem Gemischweg angeordnet und/oder mit/an einer Wand des Gemischweges in diesen hineinragend ausgeführt sein. Ein Strömungsbeeinflusser kann insbesondere Strömungsengpässe, Totgebiete, Teilkanäle, etc. in dem Gemischweg ausbilden. Bevorzugt sind Strömungsbeeinflusser, die in Abhängigkeit der Richtung und/oder der Geschwindigkeit des daran vorbeiströmenden Gasstroms unterschiedlich starke Strömungswiderstandseffekte erzeugen. Dabei ist das Ziel, der Strömung im Normalbetreib möglichst wenig Strömungswiderstand entgegenzusetzen, jedoch bei einer Strömung in Gegenrichtung, die zudem eine erheblich höhere Geschwindigkeit aufweist, einen hohen Strömungswiderstand zu erzeugen, der eine Druckwelle schwächt und eine nachfolgende Flammenfront erlöschen lässt.
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Der Gemischweg ist bevorzugt so ausgelegt, dass Gemisch vom Gebläse zum Brennerkörper mit Geschwindigkeiten von 0,5 bis 10 m/s [Meter/Sekunde] im Wesentlichen hindernisfrei und/oder nur geringfügig beeinflusst strömen kann, während sich eine Druckwelle in Gegenrichtung mit Geschwindigkeiten über 500 bis zu 3000 m/s (Geschwindigkeit liegt im Überschallbereich) im Wesentlichen nicht bis zum Gebläse (zurück) fortpflanzen kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gebläse in einem Gebläsezweig des Gemischweges angeordnet, der als seitliche Verzweigung von einem Hauptzweig ausgebildet ist. Eine solche Verzweigung bzw. abrupte Umlenkung stellt für eine relativ langsame Strömung vom Geläse zum Brennerkörper kein besonderes Hindernis dar, eine Druckwelle strömt jedoch eher an der Verzweigung vorbei und pflanzt sich weiter im Hauptzweig fort.
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Insbesondere ist die Verzweigung so gestaltet, dass der Gebläsezweig gegenüber vom Brennerkörper ausgehenden Strömungen im Hauptzweig durch eine Abschirmung abgeschirmt ist, so dass solche Strömungen am Gebläsezweig vorbei geleitet werden.
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Dabei kann die Abschirmung durch eine in den Hauptzweig ragende spitzwinkelige Ecke (in einem Längsschnitt betrachtet) gebildet sein, was sich konstruktiv einfach verwirklichen lässt, indem die Verzweigung entsprechend geformt ist. Dreidimensional betrachtet handelt es sich um eine gekrümmte in den Hauptzweig vorstehende Kante. Andere Arten von Abschirmungen, z. B. Leitbleche oder Wandvorsprünge sind möglich.
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Alternativ oder zur Unterstützung des gewünschten Effektes verjüngt sich der Gebläsezweig vom Gebläse in Richtung Verzweigung. Auch dies führt dazu, dass eine schnell fortschreitende vom Brennerkörper ausgehende Druckwelle am Gebläsezweig vorbei läuft.
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Der Hauptzweig endet bevorzugt an einem dem Brennerkörper gegenüberliegenden Ende hinter der Verzweigung des Gebläsezweiges in einer gerundeten Umlenkform, die gestaltet ist, eine vom Brennerkörper her einlaufende Druckwelle in den Hauptzweig zurückzulenken. Hier wird eine Druckwelle umgelenkt oder zumindest verwirbelt, so dass sie sich selbst abschwächt und eine nachfolgende Flammenfront beim weiteren Fortschreiten behindert, was sogar zu deren Erlöschen beitragen kann. Die genaue Gestaltung der Umlenkform in Verbindung mit der Verzweigung des Gebläsezweiges hängt von den örtlichen Gegebenheiten ab und kann rechnerisch, durch Simulationen oder experimentell bestimmt werden.
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Alternativ endet der Hauptzweig an einem dem Brennerkörper gegenüberliegenden Ende hinter der Verzweigung des Gebläsezweiges in einem Auslaufbereich, der gestaltet ist, eine vom Brennerkörper her einlaufende Druckwelle abzubauen. Schon eine einfache Wand reflektiert eine Druckwelle und schwächt sie dadurch. Auch eine Flammenfront läuft gegen die Wand, kann aber nicht reflektiert werden, da hinter ihr kaum noch brennbares Gemisch vorhanden ist.
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Insbesondere weist der Auslaufbereich ein Dämpfungsmittel für eine Druckwelle auf, das bevorzugt gleichzeitig Mittel zur Aufnahme von Wärme aus einer Flammenfront sind. Jede Art von feuerfesten Einbauten, insbesondere aus Metall, eignet sich als Dämpfungsmittel. Besonders Bauteile, die die Strömung teilen und/oder umlenken, sind geeignet, z. B. Drahtnetze, versetzte Lochbleche, Gitter oder Wabenkörper und dergleichen.
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Bei einer anderen Ausgestaltung ist in dem Gemischweg mindestens ein richtungsselektives und/oder mindestens ein geschwindigkeitsselektives Strömungsbeeinflussungsmittel vorhanden. Solche Mittel sind aus dem Stand der Technik für andere Zwecke seit langem bekannt. Sie wirken (ohne dass es eines Hauptzweiges und eines abzweigenden Gebläsezweiges bedarf) in einem beliebig geformten Gemischweg in der gewünschten Weise als fluidische Dioden. Insbesondere durch die Art der beiden zu unterscheidenden Strömungen, nämlich relativ langsame Strömung beim Normalbetrieb und sehr schnelle Druckwellen in Gegenrichtung bei einem Flammenrückschlag, gibt es eine große Variationsbreite für fluidische Dioden. Eine besonders einfache Form ist beispielsweise ein kegelförmiger Körper, dessen Grundfläche in das Innere des Kegels gewölbt ist und der mit seiner Spitze entgegen der Strömung beim Normalbetrieb gerichtet ist. So bildet er nur einen geringen Strömungswiderstand beim Normalbetrieb, aber einen sehr großen bei einer entgegenlaufenden Druckwelle. Mindestens ein solcher Körper (viele ähnlich wirkende Anordnungen sind bekannt) im Gemischweg zwischen Gebläse und Brennerkörper verhindert, dass eine Druckwelle das Gebläse erreichen kann und bewirkt bei günstiger Gestaltung und Anordnung sogar das Erlöschen einer Flammenfront.
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Etwas Ähnliches kann erreicht werden, wenn in dem Gemischweg ein Wärmeabsorber angeordnet ist. Einerseits wirkt ein solcher auch auf die Strömung (und zwar stärker hemmend auf schnelle Strömungen als auf langsame), andererseits entzieht er vorbeiströmendem Gas Wärme, wodurch dessen Temperatur sinkt und möglicherweise auch eine Flammenfront erlischt. Jedenfalls werden Schäden an so geschützten Bauteilen (insbesondere dem Gebläse) bei einem Flammenrückschlag vermieden.
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Die beschriebenen Maßnahmen können erreichen, dass praktisch immer die Verbrennung im Gemischweg nach einem Flammenrückschlag beendet wird. Da dann vorübergehend kein brennbares Gemisch (sondern nur Verbrennungsgase) zum Brenner strömt, erlischt meist auch die Flamme im Verbrennungsraum, was von einem Flammenwächter festgestellt werden kann und zur Abschaltung der Brennstoffzufuhr führt, falls der Flammenrückschlag nicht schon auf andere Weise detektiert wurde.
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Schematische Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei gleiche Teile in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es stellen dar:
- 1: schematisch einen Teil eines Heizgerätes mit einer gerundeten Umlenkform in einem Hauptzweig eines Gemischweges,
- 2: schematisch einen Teil eines Heizgerätes mit einem Auslaufbereich in einem Hauptzweig eines Gemischweges,
- 3: schematisch einen Teil eines Heizgerätes mit einem Gemischweg mit eingebautem selektivem Strömungsbeeinflussungsmittel und
- 4: schematisch einen Teil eines Heizgerätes mit einem Gemischweg mit eingebautem Wärmeabsorber.
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1 zeigt schematisch Teile eines Heizgerätes 1, insbesondere eines Brennwertgerätes, welches insbesondere mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betreibbar ist. Das Heizgerät 1 weist einen Verbrennungsraum 2 mit einem Gehäuse 10 auf, in dem beim Betrieb eine Flamme 13 brennt, deren Wärme von einem Wärmetauscher 12 abgeführt wird. Die Flamme 13 wird erzeugt von einem Vormischbrenner 16, der in dem Verbrennungsraum 2 angeordnet ist und einen Brennerkörper 3 mit Löchern 4 (oder anders geformten Öffnungen, z. B. Schlitzen) aufweist. Dem Brennerkörper 3 wird durch einen Einlass 11 ein Gemisch aus Luft und Brenngas zugeführt. Der Einlass 11 ist oft als eine Art Tür in dem Gehäuse 10 ausgebildet, in der der Brennerkörper 3 befestigt ist. Das Gemisch wird von einem Gebläse 7 über einen Gemischweg 5 zum Brennerkörper 3 geführt. Das Gebläse ist meist mit einem Gebläseauslass 8 an einem Gebläseflansch 9 angebracht. Bei einem störungsfreien Betrieb ergibt sich eine Gemischströmung 14 (durch helle Pfeile angedeutet) durch den Gemischweg 5 vom Gebläse 7 zum Brennerkörper 3. Bei einem Flammenrückschlag zündet praktisch explosionsartig das gesamte im Brennerkörper 3 enthaltene Gemisch und erzeugt zunächst eine der Gemischströmung 14 entgegengesetzte Druckwelle 15 (mit dunklen Pfeilen angedeutet) gefolgt von einer Flammenfront, die ohne Gegenmaßnahmen den gesamten Gemischweg 5 durchlaufen würde und dann auch das Gebläse 7 erreichen und eventuell durch Druck- und/oder Temperaturerhöhung beschädigen könnte. Um dies zu vermeiden ist der Gemischweg 5 besonders gestaltet mit einer Verzweigung 18, an der ein Gebläsezweig 19 in einen Hauptzweig 20 (eine im Wesentlichen gerade Verbindung zwischen dem Einlass 11 und einer Umlenkform 24) mündet. Die Umlenkform 24 und die Verzweigung 18 erhöhen den Strömungswiderstand für Gemisch vom Gebläse 7 zum Brennerkörper 3 nur wenig, bewirken jedoch bei einem Flammenrückschlag, dass eine entstehende Druckwelle 15 in Gegenrichtung an der Verzweigung 18 am Gebläsezweig 19 vorbeiläuft, in der Umlenkform 24 umgelenkt wird (angedeutet durch einen entsprechenden dunklen Pfeil) und sich selbst dadurch abschwächt. Dies wird noch dadurch unterstützt, dass der Gebläsezweig 19 schräg einmündet, so dass sich ein spitzer Winkel bildet, dessen in den Gemischweg 5 ragende Ecke oder Kante als Abschirmung 6 wirkt. Auch eine Verjüngung des Gebläsezweiges 19 in Richtung Verzweigung 18 unterstützt die gewünschte Wirkung. Die Umlenkform 24 kann eine annähernd kugelige Gestalt oder zumindest in Teilbereichen eine Kugeloberfläche aufweisen.
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2 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der statt der Umlenkform 24 ein Auslaufbereich 17 vorgesehen ist. Die übrigen Teile sind analog zu 1 ausgeführt und mit Bezugszeichen versehen. Auch der Auslaufbereich 17 bewirkt einen Abbau einer an der Verzweigung vorbeigelaufenen Druckwelle 15, so dass diese keine Schäden im Gebläsezweig 19 oder Gebläse 7 anrichten kann. Eine nachfolgende Flammenfront erlischt in vielen Fällen, ohne den Gebläsezweig 19 zu entzünden. Dieser Effekt wird unterstützt, wenn im Auslaufbereich 17 Dämpfungsmittel 21, z. B. metallische Gitter, Siebe, Lochbleche, Wabenkörper oder dergleichen vorhanden sind, die die Strömung einer Druckwelle 15 aufteilen, ablenken oder absorbieren. Diese nehmen auch Wärme auf, wenn sie von einer Flammenfront erreicht werden und können dadurch eine Verbrennung im Gemischweg 5 zum Erlöschen bringen, jedenfalls aber dem Gas viel Wärme entziehen und damit eventuelle Schäden mindern.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel ohne Verzweigung 18, dafür aber mit einem Strömungsbeeinflussungsmittel 22, welches selektiv Strömungen je nach deren Richtung und Geschwindigkeit beeinflusst. Das gewählte einfach Beispiel eines Kegels mit nach innen gewölbter Basis steht für eine Vielzahl von bekannten Mitteln mit ähnlichen Wirkungen. Das Strömungsbeeinflussungsmittel 22 hat nur eine geringe Wirkung auf relativ langsame Strömungen (helle Pfeile), denen die Kegelspitze entgegengerichtet ist. Es beeinflusst aber sehr stark schnelle Strömungen von Druckwellen 15 (dunkle Pfeile), die von der gewölbten Basis aufgehalten und teilweise umgelenkt oder reflektiert werden. So kann eine Druckwelle 15 nur sehr geschwächt zum Gebläse 7 gelangen und auch eine Flammenfront wird möglicherweise gestoppt.
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4 zeigt eine der 3 ähnliche Anordnung nur mit einem Wärmeabsorber 23 im Gemischweg 5 statt oder zusätzlich zu einem Strömungsbeeinflussungsmittel 22. Ein Wärmeabsorber 23 nimmt Wärme aus einem vorbeiströmenden Gas auf, weshalb er eine große Oberfläche, eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine geeignete Wärmekapazität (aber einen vernachlässigbaren Strömungswiderstand zumindest im Normalbetrieb) haben sollte. Hier sind zur Strömung parallele Stäbe oder Wände im Gemischweg 5 dargestellt, die vorzugsweise aus Metall (z. B. Edelstahl) bestehen. Sie sind im Normalbetrieb kalt und können einer Flammenfront soviel Wärme entziehen, dass die Verbrennung erlischt. Gleichzeitig bewirken sie aber auch eine Dämpfung von sich schnell fortpflanzenden Druckwellen 15 und schützen daher auch vor dadurch möglichen Schäden.
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Die vorliegende Erfindung erlaubt es, mit einfachen und robusten Mitteln die Folgen eines Flammenrückschlages signifikant zu mindern und insbesondere ein Gebläse 7 davor zu schützen sowie ein schnelles Erlöschen der Flammen 13 zu erreichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizgerät
- 2
- Verbrennungsraum
- 3
- Brennerkörper
- 4
- Löcher/Schlitze
- 5
- Gemischweg
- 6
- Abschirmung (Ecke)
- 7
- Gebläse
- 8
- Gebläseauslass
- 9
- Gebläseflansch
- 10
- Gehäuse
- 11
- Einlass in den Brennerkörper
- 12
- Wärmetauscher
- 13
- Flamme
- 14
- Gemischströmung
- 15
- Druckwelle/Flammenfront
- 16
- Vormischbrenner
- 17
- Auslaufbereich
- 18
- Verzweigung
- 19
- Gebläsezweig
- 20
- Hauptzweig
- 21
- Dämpfungsmittel
- 22
- Strömungsbeeinflussungsmittel
- 23
- Wärmeabsorber
- 24
- Umlenkform
