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Die Erfindung betrifft den Aufbau und die Herstellung eines Brennerkörpers für einen Brenner eines Heizgerätes, insbesondere eines Heizgerätes, das mit Wasserstoff und/oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betreibbar ist. Wasserstoff als Brenngas oder als Beimischung zu Brenngasen wird immer wichtiger, und es werden große Anstrengungen 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.
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Wasserstoff unterscheidet sich bei seiner Verbrennung in mehreren Punkten von bisher verwendeten Brenngasen. Insbesondere ist die Flammausbreitungsgeschwindigkeit in einem zündfähigen Gemisch aus Luft und Wasserstoff viel höher als bei herkömmlichen Brenngasen. Dies führt zu einigen Besonderheiten, die bei der Konstruktion von Brennern für wasserstoffhaltige Brenngase beachtet werden müssen.
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Eine Herausforderung ist die gleichmäßige Verteilung von Gemisch aus Brenngas und Luft (im Folgenden als Gemisch bezeichnet) in einem Verbrennungsraum, was viele gleichmäßig verteilte Öffnungen in einem Brennerkörper erfordert. Eine andere Herausforderung ist die Senkung des Risikos für einen Flammenrückschlag vom Verbrennungsraum in den Brennerkörper. Dazu ist es besonders erstrebenswert, lange dünne Kanäle zur Führung des Gemisches vorzusehen, was jedoch bei bisherigen Konstruktionen von Brennerkörpern fertigungstechnisch schwer zu verwirklichen ist. Ein Flammenrückschlag ist, vereinfacht ausgedrückt, dann unmöglich, wenn eine Flamme in einem Kanal so schnell Wärme an den Kanal begrenzende Wände abgibt, dass bei einer gegebenen Flammengeschwindigkeit am Ende des Kanals nicht mehr genug Wärme zum Zünden des Gemisches übrig ist. Die Flamme kann dann nicht den gesamten Kanal durchlaufen, sondern erlischt vorher.
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Eine Brennergeometrie, die zu einem solchen Verlöschen von Flammen führt, nennt man auch „intrinsisch rückschlagsicher“. Dazu sind aber bei Wasserstoff oder Brennstoffen mit einem Anteil an Wasserstoff von mehr als 30 % [Prozent], insbesondere mehr als 95%, Kanäle mit Dimensionen (Querschnittsfläche, Länge) nötig, die sich beispielsweise in (z. B. zylinderförmig gebogenen) Lochblechen nicht wirtschaftlich verwirklichen lassen. Selbst ein guter Wärmeübergang und eine große Wärmekapazität von metallischen Wänden helfen dabei wenig. Solche Dimensionen liegen im Bereich von Lochdurchmessern unter 0,5 mm [Millimeter], insbesondere unter 0,3 mm, und einer Länge der Kanäle von mehr als 1 mm, insbesondere mehr als 3 mm. Tausende solcher Löcher sind erforderlich, um einen typischen zylindrischen Brennerkörper für ein Heizgerät nach dem Stand der Technik für Wasserstoff als Brenngas zu ertüchtigen und Flammenrückschläge sicher durch die Art der Kanäle zu vermeiden.
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Übliche topfförmige Gasbrenner mit radial angeordneten Gasaustrittsöffnungen verwenden als Mantel ein Blech, das in Dickenrichtung vom Gemisch durchströmt wird. Das hauptsächliche Fertigungsverfahren für diese Öffnungen in Großserien ist hierbei das Stanzen. Dabei können üblicherweise nur Löcher hergestellt werden, deren Durchmesser größer oder gleich der verwendeten Blechdicke ist. Im kleinsten Durchmesserbereich entstehen sowohl beim Stanzen als auch bei anderen Fertigungsverfahren wie zum Beispiel Laserschneiden oder Ätzen große Fertigungstoleranzen. Bei üblichen Brennerdesigns und Fertigungsverfahren sind Öffnungen mit z. B. weniger als 0,3 mm [Millimeter] Durchmesser nur bei geringen Kanallängen/Blechstärken sowie unter großen Fertigungstoleranzen möglich. Die geringe Blechstärke führt hierbei zu einem Mangel an mechanischer Festigkeit und die ungenauen Lochdurchmesser zu stark streuenden Druckverlusten des Brenners. Beides steht einer industriellen Verwendung solcher Brenner in einer Großserienfertigung entgegen und führt zu Schwierigkeiten beim Handling im Austausch- und Installationsfall.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen. Insbesondere sollen ein Brennerkörper und ein kostengünstiges Verfahren zu dessen Herstellung geschaffen werden, die es erlauben, Flammenrückschläge durch die Dimensionierung von Kanälen zu vermeiden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Brennerkörper, ein Formkörper und ein Verfahren zur Herstellung eines Brennerkörpers aus solchen Formkörpern 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 trägt ein Brennerkörper für ein Heizgerät bei, wobei der Brennerkörper einen Mantel mit einer Vielzahl von Kanälen aufweist, die eine Innenoberfläche des Mantels mit einer Außenoberfläche verbinden und außen in einer Öffnung enden, wobei der Mantel aus Formkörpern geschichtet oder gestapelt ist und die Kanäle durch Nuten in den Formkörpern gebildet sind.
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Der Brennerkörper kann insbesondere selbst mit einem etwa zylinderförmigen Lochblech ausgeführt sein, wie es beispielsweise auch bei anderen Brennstoffen eingesetzt wird. Das Lochblech kann den Brennerkörper nach innen begrenzen. Es ist weiter möglich, dass der Brennerkörper an einer ersten Stirnseite mit einem umlaufenden, über das Lochblech radial nach außen ragenden Kragen (z. B. in Form eines Flansches) und gegenüberliegend mit einem Verschlussdeckel ausgeführt ist, wobei der Verschlussdeckel den Innenraum des Lochblechs überspannt. Bevorzugt ist, dass der Mantel radial außen angeordnet ist, insbesondere zwischen dem Kragen und dem Verschlussdeckel, wobei dessen Innenoberfläche an dem Lochblech anliegen kann. Der Mantel kann eine Vielzahl, bevorzugt (nahezu) die Gesamtheit der Löcher des Lochblechs überdecken, so dass eine Strömung aus dem Innenbereich hin zum Außenbereich des Brenners - und umgekehrt - (praktisch ausschließlich) durch den Mantel bzw. die Vielzahl der gebildeten Kanäle muss. Es kann auch ein Brennerkörper ohne das Lochblech, also allein mit einem hier angegebenen Mantel bereitgestellt werden, wobei dann insbesondere der Mantel mit einem Kragen und einem Verschlussdeckel verbunden sein kann.
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Der Mantel selbst ist mehr- bzw. vielteilig ausgebildet, insbesondere mit einer Vielzahl von axial geschichteten bzw. gestapelten Formkörpern. Der Formkörper kann sich insbesondere zumindest über einen Umfangsabschnitt des Mantels und/oder einen Längsabschnitt erstrecken. Ein Formkörper kann so gestaltet sein, dass dieser beim Zusammensetzen mit anderen Formkörpern Kanäle begrenzt, wobei bevorzugt immer mindestens zwei benachbarte Formkörper einen (einzelnen) Kanal gemeinsam begrenzen. Hierfür sind die Formkörper an mindestens einer ihrer Stirn- bzw. Anlagefläche (in Längsrichtung weisend) mit wenigstens einer Nut versehen, die einen Kanalquerschnitt definieren kann. Eine „Nut“ in diesem Sinne kann eine Rille, Furche, Vertiefung, (umgeformte) Wellung sein, ggf. auch mit einer abweichenden Gestalt und/oder Orientierung über deren Erstreckung von der Innenoberfläche zur Außenoberfläche des Mantels. Eine „Nut“ ist insbesondere das Ergebnis einer maschinellen Bearbeitung der Stirn- bzw. Anlagefläche des Formkörpers.
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Ein solcher schichtweiser Aufbau bietet viele Gestaltungsmöglichkeiten, die bei einem aus gelochtem Blech hergestellten Mantel nicht gegeben sind. Insbesondere können Kanäle durch Zusammenwirken von zwei Formkörpern und eine entsprechende Anordnung von Nuten an deren Anlageflächen gebildet werden, für deren Dimensionierung auf diese Weise viele Freiheiten bestehen.
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Bevorzugt ist der Mantel zylinderförmig, und die Formkörper sind Ringe oder Ringsegmente. Eine solche Bauform wird in den meisten Heizgeräten angewendet, es sind jedoch auch Brennerkörper mit ovalem oder (flachen) eckigem Querschnitt möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform verlaufen die Nuten im Wesentlichen radial, weil dies den kürzesten Weg von innen nach außen darstellt. Es ist jedoch aufgrund der neuen Herstellungsweise auch problemlos möglich, schräg oder sogar gekrümmt verlaufende Nuten auszubilden, so dass man Kanäle schaffen kann, die länger als die Wanddicke des Mantels bzw. die Formteile in radialer Richtung sind.
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Jeder Formkörper kann eine erste Anlagefläche und eine zweite Anlagefläche aufweisen, wobei die Nuten zumindest in einem Teil der Formkörper in mindestens einer der Anlageflächen ausgebildet sind. Hier bietet sich ein beachtlicher Gestaltungsspielraum für den Aufbau von Brennerkörpern. Es können z. B. abwechselnd Formkörper ohne Nuten und Formkörper mit Nuten (auf einer oder beiden Anlageflächen) gestapelt werden. Es können auch Ringe mit Nuten auf einer Anlagefläche (oder beiden) mit entsprechenden Formkörpern so gestapelt werden, dass Nuten auf Nuten liegen und sich dadurch Kanäle mit einem größeren Durchmesser bilden. Insbesondere ist es auch möglich, die Nuten auf beiden Seiten eines Formkörpers dadurch auszubilden, dass der Formkörper gewellt ist (beispielsweise ein gewelltes Blech) und abwechselnd mit Formkörpern ohne Nuten gestapelt werden kann. Solche Formkörper lassen sich durch Stanzen, Prägen und/oder Wellen herstellen.
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Bevorzugt weisen die Nuten einen im Wesentlichen quadratischen, rechteckigen, trapezförmigen, dreieckigen oder halbkreisförmigen Querschnitt auf. Hier bietet sich ebenfalls eine Vielzahl von Gestaltungsmöglichkeiten, die je nach Herstellungstechnik und gewünschten hydraulischen Eigenschaften der Kanäle sowie nach angestrebtem Verhältnis von Oberfläche zu Querschnitt der Kanäle gewählt werden können. Mit zwei aneinander liegenden halbkreisförmigen Nuten können beispielsweise die üblichen runden Querschnitte hergestellt werden.
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Besonders bevorzugt wegen der gewünschten Wärmeabfuhr sind die Formkörper metallisch. Sie können aus massivem Metall oder aus Sintermetall bestehen. Letzteres bietet auch viele Vorteile bei der Herstellung, weil Formkörper aus Sintermetall in vielen Formen gepresst werden können.
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In einer Ausführungsform sind die Nuten gestanzt, geätzt oder geprägt, was bei und/oder nach der Herstellung der eigentlichen Formkörper bewirkt werden kann.
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Zur Lösung der Aufgabe trägt auch ein Formkörper zur Herstellung eines Mantels eines Brennerkörpers bei, wobei der Formkörper eine Scheibe mit einem inneren Freiraum oder ein Segment einer solchen Scheibe ist, und Nuten aufweist, die vom inneren Freiraum nach außen führen.
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Diese Nuten verlaufen bevorzugt gerade und in radialer Richtung, was jedoch nicht zwingend ist. Es können auch schräg verlaufende oder gebogene Nuten vorhanden sein. Die Nuten müssen auch nicht über ihre ganze Länge den gleichen Querschnitt aufweisen. Bei gewellten Formkörpern nimmt z. B. der Querschnitt der Nuten (Wellentäler) nach außen zu. Es können aber auch gezielt mit den meisten Herstellungsverfahren (z. B. Prägen, Stanzen, Ätzen, Pressen) auch düsenförmige Nuten mit nach außen abnehmendem Querschnitt erzeugt werden.
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Bevorzugt weist der Formkörper eine erste Anlagefläche und eine zweite Anlagefläche auf, wobei die Nuten in mindestens einer der Anlageflächen ausgebildet sind. Dies bedeutet nicht, dass alle Formkörper, die zur Herstellung des Mantels benötigt werden, Nuten haben müssen. Es können auch zwischen den beschriebenen Formkörpern einfache ringförmige Formkörper (oder Segmente davon) eingesetzt werden. Insbesondere weisen die Nuten einen quadratischen, rechteckigen, trapezförmigen, dreieckigen oder halbkreisförmigen Querschnitt auf.
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Insbesondere ist der Formkörper aus Metall (massiv oder z. B. pulvermettalurgisch hergestellt). Dadurch wird am besten die gewünschte Wärmeabfuhr in die Wände bei einem Flammenrückschlag gewährleistet. Bevorzugt sind die Nuten gestanzt oder geprägt. Bei sehr kleinen Dimensionen, z. B. Nuten-Tiefen von weniger als 0,2 mm [Millimeter], ist aber auch Ätzen ein besonders geeignetes Herstellungsverfahren.
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Der Formkörper hat bevorzugt eine Schichthöhe (in axialer Richtung des Brennerkörpers) von 0,3 bis 5 mm [Millimeter] und eine Länge bzw. Erstreckung vom inneren Freiraum bis nach außen von 1 bis 10 mm [Millimeter], wobei diese Länge/Erstreckung auch einer Mindestlänge der Nuten entspricht.
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Zur Lösung der Aufgabe dient auch ein Verfahren zur Herstellung eines Mantels für einen Brennerkörper mit mehreren Formkörpern, wobei die Formkörper zu einem geschlossenen Mantel geschichtet oder gestapelt werden, wobei die Nuten zu Kanälen werden.
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Bevorzugt werden die Formkörper mit Nuten an nur einer Anlagefläche abwechselnd so geschichtet oder gestapelt, dass Anlageflächen mit Nuten und Anlageflächen ohne Nuten aneinandergrenzen. Auch hier sind jedoch viele Varianten möglich. Insbesondere kann bei mehr als einer Sorte von Formkörpern und/oder Nutenquerschnitten fast jeder bekannte Brennerkörpertyp nachgebildet (oder durch Veränderung der Dimensionen verbessert) werden, insbesondere können runde und schlitzförmige Öffnungen nachbeliebig gewünschten Lochmustern erzeugt werden.
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Gestaltungsbeispiele für die Herstellung eines solchen Brennerkörpers aus Formkörpern sind folgende:
- a. (axiales) Verspannen der Formkörper zwischen einem nicht gelochten Brennerunterteil und einem Brennerdeckel mittels Schrauben. Dabei kann eine lösbare Verbindung der Formkörper-Scheiben erreicht werden.
- b. (zumindest teilweises) Verbinden der Formkörper miteinander über deren Stirn- bzw. Anlageflächen durch Hartlöten. Hierbei kann das Lot durch Kapillarkräfte zwischen die Anlageflächen der Formkörper kriechen und kann vor dem Erstarren wieder aus den Kanälen ausgeschüttelt werden. Somit wäre jede Anlagefläche abgedichtet und verbunden.
- c. (zumindest teilweises) Längsschweißen auf der Außenseite des Brennerkörpers zwischen den Kanal-Öffnungen.
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Gestaltungsbeispiele für eine Ausrichtung der Formkörper zueinander sind folgende:
- a. Ca. 45° Umbiegen der Innenkante der Formkörper, so dass die vorstehende Geometrie eines Formkörpers in die entstehende Senkung eines darunter liegenden Formkörpers greift.
- b. Fixierung über Positionierstifte, auf die die Formkörper aufgefädelt bzw. aufgesteckt werden.
- c. Ausrichtung der Formkörper über ein innenliegendes Gitter oder Lochblech.
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Die Erläuterungen zum Formkörper können zur näheren Charakterisierung des Mantels des Brennerkörpers herangezogen werden, und umgekehrt. Das Verfahren zur Herstellung ermöglicht insbesondere die Bereitstellung eines Brennerkörpers der hier offenbarten Art, so dass auch die mit Bezug auf den Mantel bzw. die Formteile erläuterten Gestaltungs- und/oder Fertigungshinweise für die Charakterisierung des Herstellungsverfahrens herangezogen werden können, und umgekehrt.
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Schematische Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, werden nun anhand der Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten technischen Merkmale können extrahiert und mit anderen Merkmalen der weiteren Figuren und/oder Beschreibung kombiniert werden, soweit das nachfolgend nicht explizit ausgenommen wird. Es stellen dar:
- 1: einen geschichteten Brennerkörper,
- 2: schematisch einen Formkörper zur Herstellung eines Mantels eines solchen Brennerkörpers in Draufsicht,
- 3: eine schematische perspektivische Ansicht eines Segmentes eines Formkörpers gemäß 2, und
- 4: verschiedene Formen von Nutenquerschnitten für solche Formkörper.
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1 zeigt schematisch einen Brennerkörper 1, und zwar in perspektivischer Darstellung mit einem (axialen) Längsschnitt. Der Brennerkörper 1 hat eine Zylinderform, wobei zwischen einem Brennerunterteil 13 und einem Brennerdeckel 14 ein Mantel 2 angeordnet ist, der eine Vielzahl von Kanälen 4 aufweist, die eine Innenoberfläche 5 des Mantels 2 mit einer Außenoberfläche 6 verbinden und außen in Öffnungen 3 enden. So kann Brenngas-Luft-Gemisch von einem inneren Freiraum 11 in dem Brennerkörper 1 nach außen in einen nicht dargestellten Verbrennungsraum strömen und dort verbrannt werden. Der Mantel 2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus ringförmigen Formkörpern 7 geschichtet. Angedeutet ist auch, dass die Formkörper 7 mit angeschrägten Innenkannten gestaltet sein können, wodurch sie sich leichter und präziser stapeln lassen.
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2 zeigt schematisch einen solchen Formkörper 7 in einer Draufsicht und 3 eine perspektivische Ansicht eines Segmentes dieses Formkörpers 7. Der Formkörper 7 hat einen Außendurchmesser D von z. B. 4 bis 10 cm [Zentimeter], vorzugsweise 6 bis 9 cm und einen Innendurchmesser d, der um die Breite B des Formkörpers geringer ist als der Außendurchmesser D. Die Breite B liegt etwa in einem Bereich von 0,5 bis 15 mm, vorzugsweise 1 bis 10 mm. Außerdem hat der Formkörper 7 eine Höhe H von z. B. 0,3 bis 5 mm, vorzugsweise 0,5 bis 2 mm, und weist eine erste (obere) Anlagefläche 9 und eine zweite (untere) Anlagefläche 10 auf. In mindestens eine der Anlageflächen 9, 10 sind Nuten 8 eingearbeitet, die von der Innenoberfläche 5 zur Außenoberfläche 6 verlaufen. Wenn diese gerade sind und radial verlaufen, haben sie eine Länge L, die genau der Breite B des Formkörpers 7 entspricht. Bei allen anderen Verläufen der Nute 8 ist die Länge L größer als die Breite B. Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass der Formkörper 7 auch gewellt sein kann, z. B. ein gewelltes Blech, so dass Wellentäler auf beiden Seiten als Nuten 8 anzusehen sind und Wellenberge als Anlageflächen 9,10. Wichtig ist, dass aufgrund der Nuten 8 durch Schichten von mehreren Formkörpern 7 (eventuell mit dazwischen liegenden einfachen Ringen ohne Nuten) Kanäle 4 mit Öffnungen 3 entstehen. Die Dimensionen und die Querschnittsform und -fläche der Kanäle 4 hängt von den Dimensionen der Nuten 8 und deren Querschnitten Q ab. In dem Formkörper 7 kann eine Lochung 12 vorgesehen sein, mit deren Hilfe mehrere Formkörper positionsgenau auf Stifte aufgefädelt oder durch Bolzen zusammengehalten werden können.
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4 zeigt mehrere Ausführungsbeispiele für mögliche Formen und Querschnitte Q (kleine Schraffur) von Nuten 8 bzw. daraus gebildeten Kanälen 4. Von links nach rechts sind eine quadratische Nut, eine rechteckige Nut, eine trapezförmige Nut, eine dreieckige und eine halbreisförmige Nut dargestellt, und zwar oben offen als Nute 8 und unten als Kanäle 4 bei Anliegen an einem zweiten Formkörper 7 (oder Ring). Die Nuten 8 haben eine Tiefe T und können durch eine glatte Anlagefläche 10 verschlossen werden, oder sie können nach dem Schichten an gleichartige Nuten 8 angrenzen, wodurch sich weitere Formen von Kanalquerschnitten ergeben, insbesondere können so auch runde Kanalquerschnitte hergestellt werden.
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Insgesamt besteht durch den geschichteten Aufbau des Mantels 2 insbesondere die Möglichkeit, Kanäle 4 mit kleinen Querschnitten Q (z. B. unter 0,1 mm2) und großen Längen L (z. B. über 2 mm) zu verwirklichen. Dies ist bei Verwendung von Wasserstoff als Brenngas oder wasserstoffhaltigem Brenngas von großem Vorteil, weil sich so Flammenrückschläge sicher vermeiden lassen. Außerdem können die Kanäle 4 verschieden ausgerichtet verlaufen, so dass die Austrittsrichtung von Gemisch aus dem Mantel 2 vorgegeben werden kann. Schließlich ist es durch düsenförmige Kanäle 4 auch möglich, die Austrittsgeschwindigkeit von Gemisch zu beeinflussen. Die beschriebenen Formkörper 7 mit Nuten 8 können auf verschiedene Weise hergestellt werden. Hierfür kommen Stanzen, Prägen, Fräsen, Ätzen oder pulvermetallurgische Verfahren in Frage. Gerade für sehr kleine Querschnitte Q ist Ätzen ein geeignetes Herstellungsverfahren. Sofern gewellte Formkörper 7 hergestellt werden müssen, sind Stanzen und Prägen bevorzugte Methoden der Herstellung.
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Die vorliegende Erfindung erlaubt es insbesondere, einen Brennerkörper 1 durch schichtweisen Aufbau mit langen Kanälen kleiner Querschnittsfläche zur Zufuhr von Brenngas-Luft-Gemisch in einen Verbrennungsraum auszustatten, wodurch eine intrinsische Sicherheit gegen Flammenrückschläge erreicht werden kann, insbesondere auch bei Verwendung von Wasserstoff als Brenngas oder wasserstoffhaltigem Brenngas.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennerkörper
- 2
- Mantel
- 3
- Öffnung
- 4
- Kanal
- 5
- Innenoberfläche
- 6
- Außenoberfläche
- 7
- Formkörper
- 8
- Nut
- 9
- Erste Anlagefläche
- 10
- Zweite Anlagefläche
- 11
- Innerer Freiraum
- 12
- Lochung
- 13
- Brennerunterteil
- 14
- Brennerdeckel
- L
- Länge der Kanäle (Breite des Formkörpers)
- H
- Höhe des Formkörpers
- T
- Tiefe der Nut
- Q
- Querschnitt eines Kanals
- D
- Außendurchmesser des Mantels (Formkörpers)
- d
- Innendurchmesser des Mantels (Formkörpers)
