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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, insbesondere auch sogenannte Brennwertgeräte. 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 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 speziell 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 Flammenrückschlags 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 gab es nicht.
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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 vermeiden helfen
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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 in dem Gemischweg vor einem Brennerkörper eine Rückschlagsperre angeordnet ist.
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Die mindestens eine Rückschlagsperre ist in einem Abschnitt der Zuführung zum Heizgerät vorgesehen, durch den das (brennfähige) Gemisch aus Brenngas und Luft strömt, also stromauf einer Stelle, wo das Gemisch gebildet wird. Eine Rückschlagsperre kann eine einseitig verschwenkbare Klappe umfassen, die von der Gemischströmung hin zum Brennerkörper (stromauswärts) offengehalten wird, so dass das Gemisch hindurchtreten kann. Eine Rückschlagsperre kann einen kugelartigen Verschluss, ein Ventil, ein Stößel oder dergleichen sein. Bevorzugt kann die Rückschlagsperre im Fall, dass die Gemischströmung deutlich reduziert und/oder (z.B. infolge eines Druckstoßes) umgekehrt (stromabwärts) wird, ggf. eigenständig schließen, so dass dann eine Strömungsblockade gebildet wird. Auch wenn grundsätzlich möglich ist, mehrere Rückschlagsperren im Gemischweg vorzusehen, ist eine Ausführungsform mit einer einzelnen Rückschlagsperre bevorzugt.
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Gerade die oben beschriebene Folge eines durch einen Flammenrückschlag erzeugten Druckstoß und einer nachlaufenden Flammenfront erlaubt es, mit einer Rückschlagsperre wirksam in einen sonst potentiell schädlichen Ablauf einzugreifen. Der Druckstoß, also eine gegen die übliche Gemischströmung im Gemischweg laufende Druckwelle, schließt die Rückschlagsperre, so dass der Druckstoß nicht weiterlaufen und zumindest für eine kurze Zeitspanne kein Gemisch mehr nachströmen kann.
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Die Rückschlagsperre kann direkt vor einem Einlass in den Brennerkörper angeordnet sein. „Direkt“ bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere, dass kein anderes Bauteil im Gemischweg dazwischen vorgesehen ist. Es kann weiter bedeuten, dass die Rückschlagsperre an dem bzw. angrenzend zum Einlass angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass nur das Volumen an Gemisch im Brennerkörper bei dem Flammenrückschlag Energie freisetzt, wodurch die Folgen leichter zu beherrschen sind, als wenn noch Volumina des Gemischweges vor dem Brennerkörper mit entzündet werden.
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Die Rückschlagsperre kann direkt hinter einem Ausgang eines Gebläses angeordnet sein. „Direkt“ bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere, dass kein anderes Bauteil im Gemischweg dazwischen vorgesehen ist. Es kann weiter bedeuten, dass die Rückschlagsperre an dem bzw. angrenzend zum Auslass angeordnet ist. Dies schützt jedenfalls das Gebläse vor den Folgen eines Flammenrückschlages, wobei die zum Schließen der Rückschlagsperre verfügbare Energie sich aus der im Brennerkörper und anderen Volumina des Gemischweges (der ansonsten keine gegen hohe Temperaturen und Druckstöße empfindlichen Bauteile aufweist) freigesetzten Energie zusammensetzt.
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Die Rückschlagsperre kann (irgendwo) im Gemischweg zwischen einem Gebläse und dem Brennerkörper angeordnet sein. Dies erlaubt es, die konstruktiv und von den Platzverhältnissen her günstigste Position auszuwählen und kann die gewünschte Funktion ebenso erfüllen.
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Besonders bevorzugt ist die Rückschlagsperre so dimensioniert und eingestellt ist, dass sie bei einem Flammenrückschlag schon auf eine erste vom Brennerkörper kommende Druckwelle reagiert und den Gemischweg schließt, bevor eine nachfolgende Flammenfront eintrifft. Dadurch kann ein weiteres Fortschreiten der Flammenfront bis zum Gebläse jedenfalls verhindert werden. Die Rückschlagsperre kann so positioniert und ausgerichtet sein, dass sie möglichst viel Angriffsfläche gegen die Druckwelle aufzeigt, um ein reaktionsschnelles Verschließen zu bewirken, ggf. unterstütz durch Schwerkraft und/oder eine Federbelastung, insbesondere, bevor die Strömungsgeschwindigkeit bei Rückzündung die 0-Linie durchläuft. Die Rückschlagsperre kann so lange über ein Verriegelungskonzept geschlossen gehalten werden, bis die Flamme verloschen ist.
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Insbesondere ist die Rückschlagsperre so konstruiert ist, dass sie nach dem Schließen so lange geschlossen bleibt, dass die Verbrennung im Gemischweg erlischt. Dazu ist nur eine sehr kurze Dauer der Schließung erforderlich, weil die Wände des Gemischweges und die Rückschlagsperre beim Normalbetrieb kalt sind und das Gemisch im Gemischweg bei einem Flammenrückschlag bis zur Rückschlagsperre innerhalb kürzester Zeit (explosionsartig) verbrennt, dabei aber keine Bauteile auf Zündtemperatur des Gemisches aufheizen kann. Das Schließen einer Rückschlagsperre beendet daher praktisch immer die Verbrennung im Gemischweg, wenn für einige Millisekunden kein Gemisch nachströmt und die Flammenfront nicht die Rückschlagsperre überwinden kann. Da dann vorübergehend, selbst wenn die Rückschlagsperre wieder öffnet, 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.
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Ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf das diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise des Verfahrens werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellt dar:
- 1: schematisch einen Teil eines Heizgerätes mit Rückschlagsperre im Gemischweg.
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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 Druckwelle 15 (mit einem dunklen Pfeil angedeutet) in Richtung Gebläse 7 gefolgt von einer Flammenfront, die ohne Gegenmaßnahmen den gesamten Gemischweg 5 durchlaufen würden und dann auch das Gebläse 7 erreichen und eventuell beschädigen könnte durch Druck- und/oder Temperaturerhöhung. Um dies zu vermeiden ist eine Rückschlagsperre 6.1, 6.2 oder 6.3 vorgesehen, die von der Gemischströmung 14 offengehalten wird, aber bei einer in entgegengesetzter Richtung laufenden Druckwelle 15 von dieser sofort geschlossen wird. Das erfolgt so schnell und für so lange Zeit, dass die nachfolgende Flammenfront gestoppt wird und die Flamme, mangels nachströmendem Gemisch, erlischt (auch die Flamme 13 im Verbrennungsraum 2). Es gibt unterschiedliche Positionen, an denen eine Rückschlagsperre 6.1 (als längs beweglicher Verschiebestößel), 6.2 (als schwenkbare Klappe) oder 6.3 (als Kugelventil) angeordnet werden kann mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen. Exemplarisch und zur Veranschaulichung sind hier mehrere unterschiedliche Rückschlagsperren dargestellt, auch wenn eine einzelne Rückschlagsperre bzw. nur eine Art von Rückschlagsperren eingesetzt werden kann. Man kann den Flammenrückschlag besonders schnell durch eine Rückschlagsperre 6.1 direkt vor dem Einlass 11 in den Brennerkörper 3 stoppen. Dann hat er bis dahin nur die Energie aus dem Volumen des Brennerkörpers 3 umgesetzt und der übrige Gemischweg wird vor den Folgen geschützt. Eine andere Möglichkeit ist die Anordnung einer Rückschlagsperre 6.2 direkt hinter dem Gebläse 7. Dann wird zwar die ganze Energie aus den Volumina des Brennerkörpers 3 und des Gemischweges 5 freigesetzt (wodurch sich aber die Rückschlagsperre 6.2 besonders schnell und fest schließt), das Gebläse 7 aber vor allen Folgen geschützt. Direkt bedeutet im hier vorliegenden Zusammenhang, dass eine konstruktiv möglichst nahe Anordnung ohne zwischengeschaltete andere Bauteile oder nicht erforderliche Leitungsstücke gewählt wird. Die gewünschte Funktion kann aber auch durch eine Rückschlagsperre 6.3 an einer beliebigen Stelle im Gemischweg 5 zwischen Gebläse 7 und Brennerkörper 3 erreicht werden. Besonders bei beengten Platzverhältnissen muss der Einbauort oft an die Gegebenheiten angepasst werden.
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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 Flamme 13 zu erreichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizgerät
- 2
- Verbrennungsraum
- 3
- Brennerkörper
- 4
- Löcher/Schlitze
- 5
- Gemischweg
- 6
- Rückschlagsperre (6.1, 6.2, 6.3)
- 7
- Gebläse
- 8
- Gebläseauslass
- 9
- Gebläseflansch
- 10
- Gehäuse
- 11
- Einlass in den Brennerkörper
- 12
- Wärmetauscher
- 13
- Flamme
- 14
- Gemischströmung
- 15
- Druckwelle/Flammenfront
- 16
- Vormischbrenner
