Die vorliegende Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zur Steuerung und
Regelung des Primärluftanteils eines atmosphärischen Gasbrenners, und
andererseits eine Vorrichtung zur Steuerung und Regelung des Primärluftanteils
eines atmosphärischen Brenners.
Bei atmosphärischen Gasbrennern erfolgt die Beimischung von Primärluft durch
Injektionswirkung der Brenngasströmung. In Abhängigkeit von verschiedenen
Parametern, wie beispielsweise vom Durchmesserverhältnis von Gasdüse zu
Injektor, von den Druckverhältnissen oder den Strömungswiderständen wird dabei
ein bestimmter Volumenstrom an Primärluft angesaugt.
Brenner neuerer Bauart, insbesondere emissionsarme Brenner, reagieren sehr
empfindlich auf eine Änderung der Gasbeschaffenheit. Da eine gleichbleibende
Gasbeschaffenheit nicht immer gewährleistet werden kann, besteht die Forderung,
daß auch bei sich ändernder Gasbeschaffenheit ein sicherer Betrieb des
Gasbrenners, beispielsweise hinsichtlich Schadstoffemissionen oder Vermeidung
von Abheben und Erlöschen der Flammen, gewährleistet ist. Im Stand der Technik
sind dazu verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Beeinflussung des
Primärluftstromes von atmosphärischen Gasbrennern bekannt. Mit der DE 43 31
231 A1 wird beispielsweise eine Vorrichtung zur Regulierung der Flammengüte
eines atmosphärischen Gasbrenners bereitgestellt, bei der in Abhängigkeit der im
Flammenbereich gemessenen Temperatur ein den Strömungsquerschnitt der
Primärluft-Zuführöffnung verändernder Schieber bewegt wird. Damit wird die
Möglichkeit geschaffen, den Primärluftmengenstrom bei einem atmosphärischen
Gasbrenner der Brenngasbeschaffenheit anzupassen. In der Vorrichtung sind
dazu Bimetallelemente vorgesehen, die einige Nachteile besitzen. So erfordert
beispielsweise die optimale Plazierung und Auslegung der Bimetallelemente einen
erhöhten Aufwand. Darüber hinaus ist die Langzeitstabilität der Bimetalle und
deren gleichbleibende Eigenschaften problematisch.
Ein Verfahren sowie eine Vorrichtung gattungsgemäßer Art ist aus der
DE 43 41 997 A1 bekannt. Der darin beschriebene Gasbrenner verfügt über eine
zentrale Hauptdüsenbohrung, die mittels eines axial beweglichen Ventilkörpers
verschließbar ist, sowie über mindestens eine unter einem Winkel zu dieser
Hauptdüsenbohrung verlaufende Nebendüsenbohrung. Durch Betätigung des
Ventilstempels für die Hauptdüsenbohrung läßt sich die Tätigkeit des Gasbrenners
von Vollast auf Teillast reduzieren. Bei Teillast gelangt nur noch eine geringe
Gasmenge aus den Nebendüsenbohrungen in den nachfolgenden Injektor.
Gleichwohl kommt es nicht zu einer übermäßigen Erhöhung der Luftzahl, da
wegen der Neigung der Nebendüsenbohrung der daraus austretende Strahl auf
den Strahl aus der Hauptdüsenbohrung gerichtet ist. Sowohl die
Hauptdüsenbohrung wie auch die Nebendüsenbohrungen gehen von demselben
Innenraum der Gasdüse aus, weshalb an allen Düsenbohrungen derselbe Druck
anliegt. Die Einstellung von Leistungszwischenstufen ist bei diesem bekannten
Gasbrenner nur indirekt dadurch möglich, daß mittels des elektromagnetisch
betätigten Ventils der Ventilstempel getaktet betätigt wird. Denn bei
verschlossener Hauptdüsenbohrung tritt eine verminderte Gasmenge aus der
Nebendüsenbohrung auf, ohne daß jedoch eine Steuerung bzw. Regelung des
Nebengasstromes in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des
Gasbrenners und/oder dem Brennerbetriebszustand erfolgen könnte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein betriebssicheres Verfahren
zur Steuerung oder Regelung des Primärluftanteils eines atmosphärischen
Gasbrenners bereitzustellen, mit dem eine Verbesserung der
Verbrennungsstabilität des atmosphärischen Gasbrenners bei unterschiedlichen
Betriebsbedingungen, insbesondere bei Änderungen der Gasbeschaffenheit,
und/oder bei verschiedenen Betriebszuständen, wie beim Startvorgang,
gewährleistet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung
des Primärluftanteils eines atmosphärischen Gasbrenners vorgeschlagen, mit
mindestens einer Gasaustrittsöffnung, der Gas zugeführt wird und aus der Gas in
einen Mischraum strömt und dabei Primärluft durch Injektorwirkung in den
Mischraum einsaugt, wobei das Gas lastabhängig durch eine erste
Gasaustrittsöffnung in einem Hauptgasstrom und durch mindestens eine zweite
Gasaustrittsöffnung in mindestens einem Nebenstrom in den Mischraum
einbringbar ist, wobei das Gas der ersten und der zweiten Gasaustrittsöffnung
über jeweils getrennte Kammern strömungstechnisch getrennt zugeführt wird und
der Nebengasstrom in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen und/oder dem
Brennerbetriebszustand steuer- oder regelbar in den Mischraum eingedüst wird.
Das Gas wird also der ersten und der zweiten Gasaustrittsöffnung über jeweils
getrennte Kammern strömungstechnisch getrennt zugeführt. Durch diese
Aufteilung des Gasstromes wird eine relativ einfache und sichere Beeinflussung
des Verbrennungsverlaufes ermöglicht. Der Nebengasstrom wird regelbar in den
Mischraum des Gasbrenners eingedüst. Hierzu kann z. B. ein Ventil verwendet
werden, welches vorzugsweise von einer Kontrolleinheit gesteuert wird.
Die eingebrachte Nebengasmenge ist abhängig vom Brennerbetriebszustand,
insbesondere beim Startvorgang oder unter Voll- bzw. Halblast oder dergleichen,
und verschiedenen Betriebsbedingungen, wie Gasbeschaffenheit und dergleichen,
oder den resultierenden Verbrennungsgrößen, wie beispielsweise der
Flammentemperatur. Somit besteht zwischen der Nebengasmenge und den
unterschiedlichen Betriebsbedingungen, die insbesondere über verschiedene
Sensorik- und Aktorik-Elemente, beispielsweise Temperaturfühler und dergleichen
erfaßt und beeinflußt werden können, eine unmittelbare Verbindung. Durch die
gezielte Beeinflussung des Primärluftanteils über die Aufteilung des Gasstromes in
einen Haupt- und mindestens einen Nebengasstrom wird das Start- und
Brennverhalten eines atmosphärischen Gasbrenners verbessert. Der
Nebengasstrom kann zusätzlich zum Hauptgasstrom zugeführt werden.
Insbesondere bei Betrieb mit Erdgas mit geringem Wobbeindex, zum Beispiel L-
Gas in Gebieten, die üblicherweise mit H-Gas arbeiten. Dabei wird neben einem
geringfügig höheren Wirkungsgrad und geringeren CO- und CxHy-Werten ein
sicherer Betrieb des Gasbrenners, insbesondere beim Starten bzw. Anlaufen des
Gasbrenners gewährleistet.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird durch Regelung des Druckes die
Gasmenge konstant gehalten. So kann eine Überlastung des Brenners vermieden
und dennoch die Primärluftzahl abgesenkt werden.
Vorzugsweise ist auch das Verhältnis von Haupt- zu Nebengasstrom regelbar.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Kontrolleinheit
gleichzeitig zur Erfassung, Überwachung und Steuerung verwendet wird. Dabei
können neben den unterschiedlichen Betriebsbedingungen, wie beispielsweise der
Gasbeschaffenheit, den Witterungs- und Druckverhältnissen bzw. den
resultierenden Verbrennungsgrößen, wie beispielsweise O2, CxHy-, oder CO-
Gehalt im Abgas, oder der Flammentemperatur oder dem Brennerbetriebszustand,
wie beispielsweise Starten bzw. Anlaufen oder Abschalten des Gasbrenners, auch
verschiedene individuelle Brennercharakteristika, beispielsweise Verbrauchsdaten,
Betriebszeiten und dergleichen, erfaßt, aufgezeichnet und gesichert werden. Wird
als Kontrolleinheit beispielsweise ein Temperatursensor verwendet, kann dieser
gleichzeitig zur Flammenüberwachung genutzt werden. Damit können
konventionelle Flammenüberwachungen, die üblicherweise per Ionisationsstrom
arbeiten, entfallen.
Zur Lösung der oben angegeben Aufgabe wird ferner vorgeschlagen eine
Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung des Primärluftanteils eines
atmosphärischen Brenners mit einer ersten und mindestens einer zweiten
Gasaustrittsöffnung, denen Gas zugeführt wird und die als Gasdüsen ausgebildet
sind, aus denen Gas in einen Mischraum strömt und dabei durch Injektorwirkung
Primärluft in den Mischraum einsaugt, wobei wenigstens eine erste
Gasaustrittsöffnung und wenigstens eine zweite Gasaustrittsöffnung in
strömungstechnisch voneinander getrennten Kammern angeordnet sind, die
jeweils eine Gaseinlaßöffnung aufweisen, an die jeweils eine Gasleitung
angeschlossen ist, wobei die Gasaustrittsöffnungen im wesentlichen parallel in
dem Mischraum mindestens einer Gasbrennereinheit münden.
Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist wenigstens eine Kammer
strömungstechnisch regelbar ist. Damit wird die Möglichkeit geschaffen, den
Volumenstrom dieser Kammer zu verändern. Die Veränderung kann dabei in
Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsbedingungen erfolgen, beispielsweise
können über verschiedene Sensorik- bzw. Aktorik-Elemente verschiedene Größen
erfaßt und gesteuert werden, wie beispielsweise die Gasbeschaffenheit über einen
geeigneten Sensor oder die Luftzahl direkt über einen geeigneten Sensor oder
indirekt über Temperaturfühler zur Erfassung der Flammentemperatur. Zum
strömungstechnischen Regeln kann ein Stellelement verwendet werden,
beispielsweise ein Ventil.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß eine
ringförmig ausgebildete Kammer eine andere rohrförmig ausgebildete Kammer im
wesentlichen koaxial umgreift. Die rohrförmig ausgebildete Kammer ist mit einer
als Düse ausgebildeten Gasaustrittskammer versehen, und wird zur
strömungstechnischen Führung des Hauptgases verwendet. Dabei ist es auch
möglich, daß nur ein Teil dieser Kammer rohrförmig ausgebildet ist, welcher von
einer umgreifenden, ringförmig ausgebildeten Kammer umgeben ist. Gemäß einer
weiteren Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung ist die ringförmig ausgebildete
Kammer in strömungstechnisch voneinander getrennte Segmente unterteilt, die
jeweils eine Gaseinlaßöffnung und wenigstens eine Gasaustrittsöffnung
aufweisen. Damit liegt eine überaus kompakte und relativ leicht fertigbare
Vorrichtung vor, die durch die zahlreichen Anordnungs- und
Ausgestaltungsmöglichkeiten der Gasaustrittsöffnungen und der
Verschaltungsmöglichkeiten der unterschiedlichen Kammern die Steuerung oder
Regelung des Primärluftanteils eines atmosphärischen Gasbrenners zur
Beeinflussung der Verbrennung, insbesondere hinsichtlich Verbrennungsge
schwindigkeit, Temperaturverlauf und Flammenvolumen, in weiten Bereichen
ermöglicht.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
anhand der Figuren. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine geschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispiels für eine
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 eine schematische Vorderansicht gemäß Fig. 1 und
Fig. 3 ein weiteres, teilweise geschnitten dargestelltes Ausführungsbeispiel für
eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt eine geschnittene Ansicht einer Vorrichtung zur Regelung des
Primärluftanteils eins atmosphärischen Gasbrenners. Bei dem hier
dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Düsenanordnung 1,
bestehend aus einer Kammer 2, die sich in einem Gehäuse 2a befindet, und
einer Kammer 5, die sich in einem Gehäuse 5a befindet. Die mit einem
Gaseinlaß 3 und einem Gasaustritt 4 versehene Kammer 2 ist hier beispielhaft
rohrförmig ausgebildet. Der Bereich der Gasaustrittsöffnung 4 ist konisch zur
Mündung hin verengend ausgebildet. Damit bildet der Gasaustritt 4 eine Düse.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte, ringförmig ausgebildete Kammer 5 weist
eine Gaseinlaßöffnung 6 und mehrere Gasaustrittsöffnungen 7 auf. Wie in Fig.
2 dargestellt, sind die Gasaustrittsöffnungen 7 gleichmäßig auf dem
gestrichelt dargestellten Kreis 13 verteilt. Im Bereich der Gaseinlaßöffnung 6
ist die ringförmige Kammer 5 mit einem rohrförmig ausgebildeten Anschluß 8
versehen. Wie in Fig. 1 zu erkennen, ist die Kammer 2 die Kammer 5 koaxial
durchragend mit dieser verbunden. Dazu sind die Kammer 2 und die Kammer
5 im Bereich der Gasaustrittsöffnungen 4 und 7 mit einem miteinander
korrespondierenden Verbindungselement 14, bei dem hier dargestellten Aus
führungsbeispiel ein Schraubengewinde, versehen. Andere Verbindungsele
mente 14, beispielsweise eine stoffschlüssige Schweiß-, Löt- oder Klebever
bindung sind ebenso möglich. Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten
Ausführungbeispiel ist gegenüberliegend den Gasaustrittsöffnungen 7 der
ringförmigen Kammer 5 ein Verschlußring 10 angeordnet. Beim Verschrauben
der Kammer 5 mit der Kammer 2 wird zwischen dem Verschlußring 10 und
einem an der Kammer 2 ausgebildeten Flanschring 15 eine Dichtung 9
eingeklemmt. Damit ist die Kammer 5 abgedichtet und eine
strömungstechnische Trennung zwischen Kammer 2 und Kammer 5
hergestellt.
Zur Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei
spielsweise durch die Gaseinlaßöffnung 3 des rohrförmigen, eine Düse bilden
den Gehäuses 2a, das an eine hier nicht dargestellte Erdgasleitung
angeschlossen ist, ein Hauptgas 11 in den Mischraum eines, in Form eines
Venturirohres ausgestalteten, hier nicht dargestellten atmosphärischen
Gasbrenners eingedüst. Von der hier nicht dargestellten Erdgasleitung geht
eine hier ebenfalls nicht dargestellte Zweigleitung ab, die an den rohrförmigen
Anschluß 8 der Kammer 5 angeschlossen ist. In Abhängigkeit verschiedener
Betriebsbedingungen wird ein nicht dargestelltes Ventil in der Zweigleitung
geöffnet bzw. geschlossen, und so über den rohrförmigen Anschluß 8 ein
Nebengas 12 in die Kammer 5 eingebracht, welches über die ebenfalls als
Düsen ausgebildeten Gasaustrittsöffnungen 7 in den Mischraum eingedüst
wird. Dadurch wird in Abhängigkeit von der in den Mischraum eingedüsten
Nebengasmenge 12 der Primärluftanteil des atmosphärischen Gasbrenners
verändert. In Abhängigkeit von den verschiedenen Brennerbetriebszuständen,
beispielsweise dem Startvorgang, aber auch in Abhängigkeit verschiedener
anderer Größen, wie beispielsweise Gasbeschaffenheit oder Gastemperatur,
läßt sich über die Nebengasmenge die Verbrennung entscheidend
beeinflussen. Das Zuschalten des Nebengasstromes durch die durch die
Kammer 5 gebildeten Nebendüsen kann während des Brennerbetriebes
beispielsweise in Abhängigkeit einer Temperaturmessung in der Flammenzone
erfolgen. Kommt es aufgrund eines zu großen Primärluftanteils zu einem
Abheben der Flammen, was insbesondere zum Erlöschen des Gasbrenners
führen kann, wird eine geringere Temperatur gemessen. Durch die gemessene
geringere Temperatur wird eine Nebengasmenge durch die Nebendüsen 7 in
den Mischraum eingedüst, so daß der Primärluftanteil abgesenkt wird.
Das in Fig. 3 teilweise geschnitten dargestellte Ausführungsbeispiel einer
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt einen
Düsenstock 16, der zwei durch eine Trennwand 19 voneinander getrennte
Kammern 17 und 18 für ein Hauptgas 11 und ein Nebengas 12 aufweist. In
der Trennwand 19 und einer die Kammer 18 bildenden Wandung 20 des
Düsenstocks 16 sind jeweils koaxial hintereinander angeordnete Öffnungen 21
und 22 zur Aufnahme einer Düsenanordnung 23 ausgebildet. Die
Düsenanordnung 23 ist hier beispielhaft aus einem Rohr 24 mit einer
angeformten, das Rohr 24 ringförmig umgebenden Scheibe 25 gebildet. Das
Rohr 24 der Düsenanordnung 23 ist an einem Ende in bzw. an der Öffnung 21
der Trennwand 19 befestigt, so daß die Kammer 17 von der Kammer 18
strömungstechnisch getrennt ist. Bei dem in Fig. 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel weisen dazu das Rohr 24 der Düsenanordnung 23 und
die Öffnung 21 der Trennwand 19 ein miteinander korrespondierendes
Verbindungselement 14, in diesem Fall ein Schraubengewinde, auf. Das Rohr
24 der Düsenanordnung 23 ist am gegenüberliegenden Ende sich konisch
verjüngend und damit eine Düse bildend ausgeformt. Die Öffnung 22 in der
Wandung 20 des Düsenstocks 16 nimmt die an dem Rohr 24 der
Düsenanordnung 23 angeformte ringförmige Scheibe 25 auf. Die ringförmige
Scheibe 25 ist fest mit dem Rohr 24 verbunden. Ebenso ist es möglich, daß
die Scheibe 25 und das Rohr 24 einteilig ausgebildet werden. Die Scheibe 25
ist mit mehreren Öffnungen 26 versehen, die ähnlich den
Gasaustrittsöffnungen 7 des Ausführungsbeispiels gemäß der Fig. 1 bzw. 2
das Rohr 24 umgeben. Beim Verschrauben der Düsenanordnung 23 mit der
Trennwand 19 wird hier beispielhaft zwischen der ringförmigen Scheibe 25
und der Öffnung 22 eine ringförmige Dichtung 27 eingeklemmt, um die
Kammer 18 im Bereich zwischen der Öffnung 22 und der ringförmigen
Scheibe 25 strömungstechnisch abzudichten. In einem weiteren, hier nicht
dargestellten Ausführungsbeispiel sind die ringförmige Scheibe 25 und die
Öffnung 22 ebenfalls mit einem miteinander korrespondierenden
Verbindungselement, beispielsweise einem Schraubengewinde, versehen, das
auch ohne entsprechende Dichtungen eine strömungstechnische Abdichtung
der Kammer 18 bereitstellen kann. Wie in Fig. 3 dargestellt, ragt das Rohr 24
der Düsenanordnung 23 aus dem Düsenstock 16 heraus in den hier nicht
weiter dargestellten Mischraum des atmosphärischen Gasbrenners hinein.
Vorteilhafterweise weist der Düsenstock 16 senkrecht zur Zeichenebene in der
Trennwand 19 und der Wandung 20 mehrere Öffnungen 21 bzw. 22 zur
Aufnahme entsprechender Düsenanordnungen 23 auf, die auf einfache Art
und Weise an- bzw. eingeschraubt werden können. Die Düsenanordnungen 23
können dann auf einfache Art und Weise ausgetauscht werden. Ein
wesentlicher Vorteil bei einer Ausgestaltung gemäß Fig. 3 ist darin zu sehen,
daß jeweils nur ein Anschluß 28 bzw. 29 für eine entsprechende
Hauptgasleitung 30 bzw. Nebengasleitung 31 benötigt wird. An den
Düsenstock 16 bzw. den Kammern 17 und 18 können daher mit weniger
Anschlüssen, im vorliegenden Fall mit den Anschlüssen 28 bzw. 29 nahezu
beliebig viele Düsenanordnungen 23 mit einem entsprechenden Hauptgas 11
bzw. Nebengas 12 versorgt und somit die Kosten für derartige Anschlüsse
aufgrund der geringeren Anzahl reduziert werden.
Vorteilhafterweise kann die einzudüsende Nebengasmenge von einer die
verschiedenen Betriebsbedingungen und -parameter erfassenden bzw.
überwachenden Kontrolleinheit schaltbar gesteuert werden. Dadurch wird
insbesondere beim Starten des Gasbrenners, beispielsweise durch eine feste
Aufteilung der verschiedenen Gasteilströme, ein sicherer Start des Gas
brenners ermöglicht. Darüber hinaus kann bei die Betriebssicherheit des
Gasbrenners gefährdenden Störungen, zum Beispiel einem erhöhten Kaminzug,
durch eine Änderung des Volumenstromverhältnisses von Haupt- und
Nebengasmenge die Luftzahl im optimalen Bereich nachgeregelt werden.
Damit ist unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen eine Verbesserung des
Start- und Brennverhaltens eines atmosphärischen Gasbrenners gewährleistet,
was insbesondere einen sicheren Start gewährleistet und durch gezielte
Regelung des Verbrennungsverlaufes den Wirkungsgrad eines
atmosphärischen Gasbrenners verbessert und gleichzeitig die
Schadstoffemission erheblich reduziert.
Bezugszeichenliste
1
Düsenanordnung
2
Kammer
2
a Gehäuse
3
Gaseinlaßöffnung
4
Gasaustrittsöffnung
5
Kammer
5
a Gehäuse
6
Gaseinlaßöffnung
7
Gasaustrittsöffnung
8
Anschluß
9
Dichtung
10
Verschlußring
11
Hauptgas
12
Nebengas
13
Kreis
14
Verbindungselement
15
Flanschring
16
Düsenstock
17
Kammer
18
Kammer
19
Trennwand
20
Wandung
21
Öffnung
22
Öffnung
23
Düsenanordnung
24
Rohr
25
Scheibe
26
Öffnung
27
Dichtung
28
Anschluß
29
Anschluß
30
Gasleitung
31
Gasleitung