DE19748261B4

DE19748261B4 - Combustion chamber, especially for gas water heaters and gas heater burners

Info

Publication number: DE19748261B4
Application number: DE19748261A
Authority: DE
Inventors: Peter Boiger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-10-31
Filing date: 1997-10-31
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2017-11-01
Also published as: EP0913642A3; DE19748261A1; EP0913642B1; DE59809474D1; EP0913642A2; ATE249012T1

Abstract

The combustion chamber (1) in a gas burner assembly has toughened convector, (6,7), with a shape-elastic right angled rib structure, in front of the thermal insulation material (5) at the chamber walls. In operation, the coolant air streams (L,L') can flow through them, to reduce the temp. at the insulation to 700-800 degrees C. The rib structure is formed by folding pleats in a steel plate. The insulation material is a micro-pore soft ceramic.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer, insbesondere für Gas-Warmwasserbereiter- und Gas-Heizungsgerätebrenner, die eine die Brennkammer wenigstens seitlich begrenzende, durch eine Luftströmung gekühlte Brennkammerwand aus temperaturfestem Wärmedämmstoff, einen tieferliegenden Gasbrenner und einen darüber angeordneten Warmwasser-Wärmeübertrager aufweist.The The invention relates to a combustion chamber, in particular for gas water heaters. and gas heater burners, the one at least laterally delimiting the combustion chamber, by an air flow chilled Combustion chamber wall made of temperature-resistant thermal insulation, a lower one Gas burner and one above arranged hot water heat exchanger having.

Eine derartige luftgekühlte Brennkammer ist z.B. aus DE 30 24 792 C2 bekannt. Bei dieser bekannten Brennkammer ist zwischen einem Außen- und einem Innenmantel ein belüfteter Zwischenraum ausgebildet, der die Wärmeisolierung des Außenmantels verbessert und der mit Öffnungen versehen ist, so daß ein den Außenmantel vor Überhitzung schützender Luftstrom aufsteigen kann.Such an air-cooled combustion chamber is, for example, made of DE 30 24 792 C2 known. In this known combustion chamber, a ventilated intermediate space is formed between an outer and an inner shell, which improves the thermal insulation of the outer shell and which is provided with openings so that an air stream protecting the outer shell from overheating can rise.

DE 41 19 993 A1 beschreibt eine Ofenauskleidung für industrielle Glüh- und Brennöfen, die aus einzelnen dünnen auswechselbaren Keramikplatten besteht, die mit Keramikelementen an der Dauerauskleidung des Ofens befestigt und der Hitze des Ofeninneren ausgesetzt sind. DE 41 19 993 A1 describes a furnace lining for industrial annealing and firing furnaces, which consists of individual thin interchangeable ceramic plates, which are attached to the permanent lining of the furnace with ceramic elements and are exposed to the heat of the furnace interior.

Bei zur Zeit entwickelten Brennkammern werden Maßnahmen angestrebt, die die bisher zumeist aus physiologisch und ökologisch bedenklichen Faserstoffen bestehenden Wärmedämmstoffe durch preiswerte andere Wärmedämmstoffe ersetzen sollen, wie z.B. durch mikroporöse Weichkeramik mit Lufteinschlüssen. Die Temperaturbeständigkeit solcher mikroporöser Weichkeramik ist jedoch nur bis ca. 900-1000°C gegeben.at Currently developed combustion chambers are aimed at measures that so far mostly from physiologically and ecologically questionable fiber materials existing thermal insulation materials inexpensive other thermal insulation materials should replace, e.g. thanks to microporous soft ceramics with air pockets. The Temperature resistance of such microporous Soft ceramics, however, only exist up to approx. 900-1000 ° C.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Brennkammer derart zu gestalten, daß für die Brennkammerisolierung ein physiologisch unbedenklicher Wärmedämmstoff eingesetzt werden kann, indem die auf ihn wirkende Temperaturbelastung so weit abgesenkt wird, daß dieser Wärmedämmstoff zumindest über die Lebensdauer eines Gaswarmwasserbereiter- oder Gas-Heizungsgerätebrenners aufrecht erhalten bleibt.It is therefore an object of the invention, a generic combustion chamber to be designed so that for the combustion chamber insulation a physiologically harmless thermal insulation material can be used, by reducing the temperature load on it so far will that this thermal insulation at least about the life of a gas water heater or gas heater burner is maintained.

Um diese Aufgabe zu lösen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß in der Brennkammer vor dem Wärmedämmstoff ein stählerner Konvektor mit einer formelastischen Rippenstruktur angeordnet ist, der im Betrieb von einem Kühlluftstrom durchströmt wird.Around to solve this task is proposed according to the invention that in the combustion chamber in front of the thermal insulation material a steely Convector is arranged with a resilient rib structure, the in the operation of a cooling air flow is flowed through.

Auf diese Weise wird die wärme gezielt dort abgeführt, wo das höchste unerwünschte Temperaturpotential wirkt, nämlich bereits vor dem Wärmedämmstoff der Brennkammerwand. Zum Beispiel läßt sich durch den Einbau des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Konvektors erreichen, daß die Temperatur an dem Wärmedämmstoff der Brennkammerwand auf etwa 700-800°C abgesenkt wird, so daß die hinsichtlich der Wärmedämmung und der physiologischen Verträglichkeit günstigen mikroporösen Weichkeramikmaterialien einsetzbar sind. Eine Möglichkeit besteht darin, den Konvektor so zu gestalten, daß der von unten nach oben aufsteigende Kühlluftstrom am Wärmeübertrager vorbei in den Abgasstrom der Brennkammer unter Erwärmung desselben geleitet wird, so daß die Abgastemperatur angehoben wird und die Abgase, insbesondere in der Abgasführung, nicht den Taupunkt unterschreiten, womit eine Kondensatbildung vermieden ist.On this way the heat deliberately dissipated there, where the highest undesirable Temperature potential acts, namely even before the thermal insulation material the combustion chamber wall. For example, by installing the proposed according to the invention Convector that the Temperature at the thermal insulation the combustion chamber wall is lowered to about 700-800 ° C, so that the thermal insulation and physiological tolerance Great microporous soft ceramic materials can be used. A possibility consists in designing the convector so that the convector ascending from bottom to top Cooling air flow on the heat exchanger passed into the exhaust gas stream of the combustion chamber while heating the same is so that the Exhaust gas temperature is raised and the exhaust gases, especially in the Exhaust system, do not fall below the dew point, thus avoiding condensation is.

Eine Alternative dazu ist, den Konvektor derart zu gestalten, daß der Kühlluftstrom einen Randabschnitt des Wärmeübertragers durchströmt und damit den Wasserwirkungsgrad η steigert.A An alternative to this is to design the convector in such a way that the cooling air flow an edge portion of the heat exchanger flows through and thus increasing the water efficiency η.

Es kann günstig sein, die Rippenstruktur des Konvektors im wesentlichen senkrecht anzuordnen, wodurch die Kühlluft nahezu ungehindert von unten nach oben durch den Konvektor strömen kann.It can be cheap be, the rib structure of the convector is substantially vertical to arrange, causing the cooling air can flow through the convector almost unhindered.

Wenn der Wärmedämmstoff des Brenners vollständig von einem Metall, z.B. Stahlmantel, ummantelt ist, wird der Konvektor bevorzugt so gestaltet, daß die zum stählernen Mantel um den Wärmedämmstoff weisenden Kanten der Rippen des Konvektors am Mantel anschließen.If the thermal insulation of the burner completely from a metal, e.g. Steel jacket, is covered, the convector preferably designed so that the to steel Jacket around the thermal insulation Connect the pointing edges of the convector ribs to the jacket.

Auch bei Verwendung eines geeigneten härteren alternativen mikroporösen Wärmedämmstoffs ist der Konvektor so gestaltet, daß die zum Wärmedämmstoff weisenden Kanten der Rippen des Konvektors am Wärmedämmstoff anstehen.Also when using a suitable harder alternative microporous thermal insulation the convector is designed so that the to thermal insulation of the convector ribs on the thermal insulation material.

Bei der Herstellung eines solchen erfindungsgemäß verwendeten stählernen Konvektors kann es vorteilhaft sein, die Rippenstruktur durch einen Falzvorgang oder durch Ziehen aus einem Stahlblech zu formen.at the production of such a steel used according to the invention It may be advantageous to use a convector to remove the rib structure Shaping process or by pulling from a steel sheet.

In diesem Fall läßt sich in Abhängigkeit vom gewünschten Ziel in der Wärmebilanz die Weite eines beim Falzvorgang gebildeten Spalts zwischen den Rippenwänden, der zum Inneren der Brennkammer hinweist, wählen.In this case can dependent on of the desired Target in the heat balance the width of a gap formed during the folding process between the Fin walls, that points to the inside of the combustion chamber.

In ähnlicher Weise läßt sich der gewünschten Wärmebilanz dadurch Rechnung tragen, daß die Abstände der Rippen entsprechend gewählt werden.More like that Way can be the desired one heat balance take into account that the distances of the Ribs chosen accordingly become.

Allgemein wird durch die bei der erfindungsgemäßen Brennkammer vorgeschlagenen Maßnahmen die Brennkammerwärmeisolierung verbessert. Die bislang verwendeten physiologisch und ökologisch bedenklichen, lungengängige Teilchen emittierenden Brennkammerisoliermaterialien sind vermieden. Es sind keine flüssigen Fluide zur Brennkammerkühlung nötig, wodurch sich die Kosten senken und unerwünschte Funktionsrisiken vermeiden lassen. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene formelastische Rippenstruktur des Konvektors läßt sich kostengünstig durch einen Falzvorgang aus Stahlblech herstellen.In general, the measures proposed in the combustion chamber according to the invention improve the combustion chamber heat insulation. The previously used physiologically and ecologically questionable combustion chamber insulation materials that emit respirable particles are avoided. No liquid fluids are required to cool the combustion chamber, which reduces costs and avoids undesirable functional risks. The shape-elastic rib structure of the convector proposed according to the invention can be produced inexpensively by a folding process from sheet steel.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Merkmale des Brenners ermöglichen alternativ entweder eine Abgastemperaturerhöhung oder eine Erhöhung des Wasserwirkungsgrads.The Features proposed according to the invention allow the burner alternatively either an increase in the exhaust gas temperature or an increase in the Water efficiency.

Die obigen vorteilhaften Merkmale werden anhand der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkammer noch deutlicher, wenn diese Beschreibung unter Bezug auf die beiliegende Zeichnung gelesen wird.The The above advantageous features are based on the description below preferred embodiments the combustion chamber according to the invention even clearer if this description with reference to the accompanying Drawing is read.

ZEICHNUNGDRAWING

1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Brennkammer und zwar links eine Ausführungsform I und rechts eine alternative Ausführungsform II; 1 schematically shows a cross section through a combustion chamber according to the invention, namely an embodiment I on the left and an alternative embodiment II on the right;

1A zeigt einen schematischen Schnitt durch eine. erfindungsgemäß gestaltete Brennkammerwand, wobei die Schnittebene A-A senkrecht zur Schnittebene in 1 liegt; und 1A shows a schematic section through a. Combustion chamber wall designed according to the invention, the section plane AA perpendicular to the section plane in 1 lies; and

1B zeigt vergrößert einen Ausschnitt der in 1A im Schnitt gezeigten Brennkammerwand. 1B shows an enlarged section of the in 1A combustion chamber wall shown in section.

Die in 1 schematisch in einer Querschnittsansicht dargestellte Brennkammer 1 weist eine einen obenliegenden Warmwasser-Wärmeübertrager 4 wenigstens seitlich, d.h. in Umfangsrichtung, umgebende Brennkammerwand, einen unter dem Warmwasser-Wärmeübertrager 4 angeordneten Gasbrenner 3, ein nicht näher bezeichnetes Gehäuse und ein mit dem Gehäuse verbundenes, im Abgasweg angeordnetes Abgasleitblech 11 auf. Bezogen auf die Brennkammerwand ist 1 in eine links von einer strichpunktiert gezeichneten senkrechten Mittellinie liegende erste Ausführungsform I und eine rechts von dieser Linie liegende zweite Ausführungsform II unterteilt. Die beiden Ausführungsformen I und II unterscheiden sich darin, daß bei der linken Ausführungsform I der in Form einer formelastischen Rippenstruktur gebildete stählerne Konvektor 6 senkrecht angeordnete Luftkanäle 9 so aufweist, daß die hindurchströmende kühlende Luft L am Wärmeübertrager 4 vorbei direkt in den Abgasstrom geleitet wird, während bei der rechts gezeigten Ausführungsform II die Rippenstruktur des stählernen Konvektors 7 derart gestaltet ist, daß die durch die Rippenstruktur gebildeten senkrechten Luftkanäle 9 den kühlenden Luftstrom L' noch durch einen Randbereich des Warmwasser-Wärmeübertragers 4 leiten und dadurch den Wasserwirkungsgrad η erhöhen. In beiden, in 1 dargestellten Ausführungsformen I und II der erfindungsgemäßen Brennkammer 1 weist die Brennkammerwand von außen nach innen einen von einer stählernen Kapsel 8 ummantelten Wärmedämmstoff 5, die genannten Luftkanäle 9 und den oben erwähnten, als formelastische Rippenstruktur gestalteten, stählernen Konvektor 6 bzw. 7 auf.In the 1 Combustion chamber shown schematically in a cross-sectional view 1 has an overhead hot water heat exchanger 4 at least laterally, ie in the circumferential direction, surrounding combustion chamber wall, one under the hot water heat exchanger 4 arranged gas burner 3 , an unspecified housing and an exhaust gas guide plate connected to the housing and arranged in the exhaust gas path 11 on. Relates to the combustion chamber wall 1 divided into a first embodiment I lying to the left of a vertical center line and a second embodiment II to the right of this line. The two embodiments I and II differ in that in the left embodiment I the steel convector formed in the form of an elastic rib structure 6 vertically arranged air ducts 9 so that the cooling air L flowing through it on the heat exchanger 4 is passed directly into the exhaust gas flow, while in the embodiment II shown on the right the rib structure of the steel convector 7 is designed such that the vertical air channels formed by the rib structure 9 the cooling air flow L 'through an edge area of the hot water heat exchanger 4 conduct and thereby increase the water efficiency η. In both, in 1 shown embodiments I and II of the combustion chamber according to the invention 1 the combustion chamber wall has one of a steel capsule from the outside inwards 8th coated thermal insulation material 5 , the air ducts mentioned 9 and the above-mentioned steel convector designed as an elastic rib structure 6 respectively. 7 on.

Der Wärmedämmstoff 5 kann bei den dargestellten Ausführungsformen der Erfindung aus einem kostengünstigen und ökologisch und physiologisch unbedenklichen mikroporösen Weichkeramikstoff mit Lufteinschlüssen bestehen, der jedoch thermisch nicht besonders stabil ist. Wenn der Wärmedämmstoff auf einem härteren Keramikmaterial mit mikroporöser Struktur besteht, kann die zum Inneren der Brennkammer 1 weisende Wand des stählernen Mantels 8 gegebenenfalls entfallen, wenn der Dämmstoff genügende mechanische Stabilität aufweist.The thermal insulation 5 can, in the illustrated embodiments of the invention, consist of an inexpensive and ecologically and physiologically harmless microporous soft ceramic material with air inclusions, but which is not particularly stable thermally. If the thermal insulation material is made of a harder ceramic material with a microporous structure, this can lead to the interior of the combustion chamber 1 steel wall facing wall 8th if necessary, omitted if the insulation material has sufficient mechanical stability.

Der in 1A dargestellte Schnitt durch die Brennkammerwand liegt in einer zur Ebene A-A, die in 1 gezeigt ist, parallelen Ebene, d.h. senkrecht zur Schnittebene der 1. 1A zeigt deutlich, daß einzelne senkrechte Luftkanäle 9 durch die Rippenstruktur des formelastischen Konvektors 6 oder 7 gebildet werden, so daß die durch die Kanäle 9 strömende Kühlluft in eine Vielzahl einzelner Luftströme unterteilt ist und die Rippen dem stählernen Konvektor 6, 7 eine große Kühloberfläche verleihen. Die Anzahl der Rippen 10 bzw. die Anzahl der einzelnen Kanäle 9 spielt eine Rolle bei der zu erreichenden Wärmebilanz. Es ist deutlich zu erkennen, daß die nach außen weisenden Kanten der Rippen 10 an der Innenwand des den Wärmedämmstoff 5 umgebenden Mantels 8 anliegen.The in 1A Section through the combustion chamber wall shown lies in a to the plane AA, which in 1 is shown parallel plane, ie perpendicular to the section plane of the 1 , 1A clearly shows that individual vertical air ducts 9 due to the rib structure of the elastic convector 6 or 7 are formed so that through the channels 9 flowing cooling air is divided into a large number of individual air flows and the fins the steel convector 6 . 7 give a large cooling surface. The number of ribs 10 or the number of individual channels 9 plays a role in the heat balance to be achieved. It can be clearly seen that the outwardly facing edges of the ribs 10 on the inner wall of the thermal insulation 5 surrounding coat 8th issue.

Die vergrößerte Darstellung der Brennkammerwand in 1B zeigt die formelastische Rippenstruktur des Konvektors 6, 7 deutlicher. Zum Inneren der Brennkammer 1 hin können die Wände der Rippen 10, 10' jeweils einen Spalt 12 bilden, dessen Weite S bzw. S' in Abhängigkeit von dem zu erreichenden Ziel bei der Wärmebilanz angepaßt werden kann. Ein solcher eine formelastische Rippenstruktur bildender stählerner Konvektor kann kostengünstig durch Falzen oder Ziehen eines Stahlblechs hergestellt werden.The enlarged view of the combustion chamber wall in 1B shows the shape-elastic rib structure of the convector 6 . 7 more clear. To the inside of the combustion chamber 1 the walls of the ribs can go out 10 . 10 ' one gap each 12 form, the width S or S 'can be adjusted depending on the target to be achieved in the heat balance. Such a steel convector forming a shape-elastic rib structure can be produced inexpensively by folding or pulling a steel sheet.

Durch diesen erfindungsgemäß vorgesehenen, formelastischen Konvektor stellt sich ein maximales Temperaturniveau auf der Wärmedämmstoffseite von weniger als 700-800°C ein. Dieser formelastische Konvektor wirkt zudem wärmespannungs ausgleichend. Dies ist eine der Bedingungen für den Einsatz von Stahl als Brennkammerwandmaterial bei Gas-Warmwasserbereiterbrennern und Gas-Heizungsgerätebrennern. Damit ist die Voraussetzung für den Einsatz kostengünstiger und funktionell geeigneter sowie unbedenklicher Wärmedämmstoffe erfüllt.This shape-elastic convector provided according to the invention provides a maximum temperature level on the thermal insulation material less than 700-800 ° C. This form-elastic convector also compensates for thermal stress. This is one of the conditions for using steel as the combustion chamber wall material in gas water heater burners and gas heater burners. This fulfills the prerequisite for the use of inexpensive and functionally suitable and harmless thermal insulation materials.

Mit den oben beschriebenen und in 1 als Ausführungsform I und Ausführungsform II dargestellten Gestaltungen des aus einer formelastischen Rippenstruktur bestehenden stählernen Konvektors läßt sich entweder die Abgastemperatur erhöhen (Alternative I) oder der Wasserwirkungsgrad η erhöhen (Alternative II). Insgesamt wird damit der Wirkungsgrad eines Gas-Warmwasserbereiterbrenners oder Gas-Heizungsgerätebrenners erhöht. Durch die Anhebung der Abgastemperatur bei der Alternative I kann z.B. die Wärmeübertragerfläche des Wärmeübertragers 4 größer dimensioniert werden, so daß wieder die minimal notwendige Abgastemperatur erreicht wird, womit in derselben Zeit mehr Wasser mit derselben Temperatur erhitzt werden kann. Aus Untersuchungen ist bekannt, daß bei Wassererhitzern für den Hausgebrauch ein Anteil von etwa 10% Kühlluft am gesamten Abgasmassenstrom optimal ist. Damit wird einerseits eine ausreichende Kühlung der die äußere Brennkammerwand bildenden Wärmedämmstoffe erzielt und andererseits die Abgastemperatur des Wassererhitzers erhöht (Alternative I).With the above and in 1 As embodiments I and embodiment II, the designs of the steel convector consisting of an elastic rib structure can either increase the exhaust gas temperature (alternative I) or increase the water efficiency η (alternative II). Overall, the efficiency of a gas water heater burner or gas heater burner is increased. By increasing the exhaust gas temperature in alternative I, for example, the heat exchanger surface of the heat exchanger 4 be dimensioned larger so that the minimum necessary exhaust gas temperature is reached again, so that more water can be heated at the same temperature in the same time. It is known from studies that a proportion of about 10% of cooling air in the total exhaust gas mass flow is optimal for domestic water heaters. Sufficient cooling of the thermal insulation materials forming the outer combustion chamber wall is achieved on the one hand and the exhaust gas temperature of the water heater is increased on the other hand (alternative I).

Physiologisch und ökologisch bedenkliche Brennkammerisoliermaterialien, die lungengängige Teilchen emittieren, sind durch den erfindungsgemäßen Vorschlag gänzlich vermieden. Insgesamt werden physiologisch unbedenkliche und kostengünstige Werkstoffe verwendet.physiological and ecological questionable combustion chamber insulation materials, the respirable particles emit are completely avoided by the proposal according to the invention. Overall, physiologically safe and inexpensive materials used.

Claims

Combustion chamber, in particular for gas water heaters and gas heating device burners, which one the combustion chamber ( 1 ) at least laterally delimiting combustion chamber wall made of temperature-resistant thermal insulation, cooled by an air flow, 3 ) and a hot water heat exchanger arranged above it ( 4 ), characterized in that in the combustion chamber ( 1 ) in front of the thermal insulation material ( 5 ) a steel convector ( 6 ; 7 ) with an elastic rib structure ( 10 ; 10 ' ) is arranged, which is flowed through by a cooling air flow (L, L ') during operation.

Combustion chamber according to claim 1, characterized in that the temperature of the thermal insulation material to around 700-800 ° C is lowered.

Combustion chamber according to claim 1 or 2, characterized in that the convector ( 6 ) the cooling air flow (L) at the heat exchanger ( 4 ) past into the exhaust gas stream of the combustion chamber ( 1 ) is conducted while heating the same.

Combustion chamber according to claim 1 or 2, characterized in that the convector ( 7 ) the cooling air flow (L ') an edge section of the heat exchanger ( 4 ) flows through.

Combustion chamber according to one of claims 1 to 4, characterized in that the rib structure ( 10 . 10 ' ) of the convector ( 6 . 7 ) is arranged vertically.

Combustion chamber according to one of claims 1 to 5, characterized in that the thermal insulation material ( 5 ) completely of a steel coat ( 8th ) is surrounded and that to the coat ( 8th ) pointing edges of the ribs ( 10 . 10 ' ) of the convector ( 6 . 7 ) connect to the jacket.

Combustion chamber according to one of claims 1 to 5, characterized in that the thermal insulation material ( 5 ) exposed to the convector and that the edges of the ribs ( 10 . 10 ' ) are in line with the thermal insulation material.

Combustion chamber according to one of claims 1 to 7, characterized in that the ribs ( 10 . 10 ' ) of the convector ( 6 . 7 ) are formed by folding or pulling a steel sheet.

Combustion chamber according to claim 8, characterized in that the width (S, S ') of a gap formed during the folding or drawing process and pointing towards the interior of the combustion chamber ( 12 ) is adjustable between the rib walls.

Combustion chamber according to one of claims 1 to 9, characterized in that the distances between the ribs ( 10 ) and thus the width of the air channels of the convector ( 6 . 7 ) are adjustable.