DE19832396A1

DE19832396A1 - Mehrstufiger, atmosphärischer Gasbrenner

Info

Publication number: DE19832396A1
Application number: DE19832396A
Authority: DE
Inventors: Ralph Jungmann; Heinz-Gerd Specht
Original assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Priority date: 1998-06-19
Filing date: 1998-07-18
Publication date: 1999-12-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen, atmosphärischen Gasbrenner für Heizkessel, insbesondere Heizkessel für Leistungsbereiche ab 70 kW, bestehend aus mindestens zwei separaten Brennermodulen (4, 5), deren zu ihren Gasverteilern (4', 5') führende, mit Feuerungsautomat geregelten Zündgas- und Hauptgasventilen (9, 11; 9', 11') bestückte Gaszufuhrleitungen (7, 8) von einer gemeinsamen Gaszufuhr (3) ausgehen, und ferner bestehend aus Zündsystemeinrichtungen (6). DOLLAR A Nach der Erfindung sind die Zündgas- und Hauptgasregelventile (9, 11; 9', 11') durch Zuordnung von Modulationsspulen (10, 10') und Druckreglern (12, 12') als Gaskombiregler (GKR) in den Gaszufuhrleitungen (7, 8) angeordnet und mit nur einem Feuerungsautomaten (2) verschaltet. Ferner sind die Zündsystemeinrichtungen (6) nur an einem der mindestens zwei Brennermodule (4, 5) angeordnet sind, deren wirksame Brennerflächen in unbehinderter Zündnähe einander zugeordnet sind, und schließlich ist am mit den Zündsystemeinrichtungen (6) versehenen Modul (4) ein mit der Ansteuerung des Hauptgasventiles (11') des anderen Moduls (5) in Wirkverbindung stehender Druckschalter (13) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen, atmosphärischen Gas brenner für Heizkessel, insbesondere Heizkessel im Leistungs bereich ab 70 kW, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Derartige Gasbrenner sind hinlänglich bekannt und in Benutzung, so daß es diesbezüglich keines besonderen druckschriftlichen Nachweises bedarf (siehe aber hierzu Vergleichsdarstellung gemäß Fig. 4). Ab einer Leistungsgröße von 70 kW ist nach Heizungsanlagenverordnung vorgeschrieben, daß solche Gasbrenner für eine zweistufige Betriebsweise ausgebildet sein müssen. Soweit bekannt, wird dem bislang auf zwei Arten entsprochen, nämlich zum einen dadurch, daß man den Brenner bzw. dessen wirksame Brennerfläche in zwei getrennte Brennerhälften bzw. Brennermodule aufteilt (siehe Vergleichsfigur 4) oder zum ande ren, daß man bei Teillastbetrieb den Düsendruck absenkt (siehe Vergleichsfigur 5).

Im ersten Fall, bei dem also die zweistufige Betriebsweise durch Zu- und Abschalten der Brennerstäbe des einen Brenner moduls erreicht wird, hat dies den Nachteil, daß die komplette Ansteuerungselektronik doppelt, d. h. kostenintensiv ausgeführt sein muß und daß man ferner wegen zu erwartender CO-Bildung bei Teillastbetrieb die die beiden Stufen darstellenden Brennerhälf ten im Feuerraum des Heizkessels mit entsprechendem apparativen Aufwand bspw. durch Trennwände, Trennlamellen od. dgl. zueinander separiert halten muß.

Bei der zweiten bislang ebenfalls praktizierten Bauart ist es ebenfalls entsprechend kostenintensiv erforderlich, mit Rück sicht auf die bei Vollast durchzuleitende volle Gasmenge diese durch einen entsprechend groß dimensionierten, sogenannten Gas kombiregler zu leiten, wobei hier die Zweistufigkeit durch Absenken des Düsendruckes bei Teillastbetrieb erreicht wird. Diesen sehr teuren, großdimensionierten Gaskombireglern stehen bei der anderen vorerwähnten Bauart in der Summe ebenfalls ent sprechend teure Baukomponenten gegenüber, nämlich jeweils zweifach vorzusehende, Zünd- und Hauptgasventile, Brenneran steurungen (Feuerungsautomaten) und Zündsysteme.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Gasbrenner der ein gangs genannten Art dahingehend zu verbessern bzw. zu verein fachen, daß bei von den Kosten her gesehen wesentlich reduziertem Aufwand eine gleichermaßen sichere und bei Teillast eine gleichermaßen CO-reduzierte Betriebsweise gewährleistet ist.

Diese Aufgabe ist mit einem atmospärischen Gasbrenner der ein gangs genannten Art nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale gelöst.

Unter "unbehinderter Zündnähe" ist dabei zu verstehen, daß sich zwischen den in einer Ebene angeordneten Brennerrohren der beiden Brennerhälften keine Trennelemente befinden.

Nachfolgend wird für die Brennerhälften bzw. Brennerteile der Begriff "Brennermodul" beibehalten, der jeweils eine Bren nerstufe darstellt, und zwar bspw. aus Verteilerrohr mit den eigentlichen Brennerrohren und Gaszufuhrleitung mit ihren Regel- und Steuerelementen.

Die erfindungsgemäße Lösung stellt praktisch eine Kombination der beiden kurz vorerläuterten, bislang praktizierten Ausfüh rungsarten solcher mehrstufigen Brenner dar, was im einzelnen Folgendes bedeutet:
Die zwei- bzw. mehrstufige Betriebsweise des Brenners wird nicht durch Zu- oder Abschalten der Brennermodule erreicht, sondern durch Erhöhung oder Verringerung des Düsendruckes an den Verteilerrohren.

Bei Anordnung des Brenners in der Brennkammer eines Gasheiz kessels ist deshalb eine Getrennthaltung der Brennerstäbe der Module bspw. durch Trennwände nicht erforderlich. Ohne solche Trennwände kann aber der gesamte Brenner vorteilhaft mit nur einem Zünd- und Überwachungssystem gezündet und überwacht werden.

Die Stufensteuerung der Gaskombiregler erfolgt durch eine sogenannte Modulationsspule, die nur zwei Schaltstellungen ihres zugeordneten Ventils bewirkt (elektrisch schaltbare Blende), und die Ansteuerung erfolgt durch Spannungsabgriff vom Zündgasventil direkt über den Schaltkontakt vom Reglungs stecker.

Die hier so bezeichneten Brennermodule weisen separate, von einem gemeinsamen Gaszufuhranschluß abgezweigte Gaszuleitungen auf, in denen jeweils ein wesentlich kostengünstigerer, kleinerer Gaskombiregler angeordnet ist, der aus zwei Ventilen mit entsprechenden Stellelementen besteht.

Die Modulationsspulen der Gaskombiregler haben, wie erwähnt, nur zwei Schaltstellungen und dienen als Gasblenden für den Teillastbetrieb und sind bei Nennleistung voll geöffnet. Bei Wärmeanforderung von der Kesselregelung her werden vom Feue rungsautomaten des Heizkessels alle Gaskombiregler gleichzeitig angesteuert.

Die Zündung und Überwachung erfolgt, wie erwähnt, an nur einem Brennermodul, was nunmehr zulässig ist, da die Brennermodule ohne gegenständliche Trennung im Feuerraum betrieben werden können.

Um sicherzustellen, daß in das Verteilerrohr des einen Bren nermoduls, der keine eigenen Zünd- und Überwachungseinrichtung hat, nur dann Gas einströmen kann, wenn der andere Modul komplett brennt, ist auf dieser Seite ein Druckschalter vorgesehen, der nur in diesem Zustand die Spannungsversorgung für die Zuschaltung weiterer Brennermodule freigibt.

Vergleicht man die erfindungsgemäße Ausbildung des Gasbrenners, die mit zwei Gaskombireglern in kleiner, bspw. 1/2"-Ausfüh rung auskommt und ferner mit nur jeweils einer Brenneran steuerung, einer Zündeinheit und einem Zündbrenner mit der bekannten Brennerausführung gemäß Vergleichsfigur 4, die jeweils zweifach Zündgas- und Hauptgasventile, Brenneransteuerung, Zündeinheit, Zündbrenner und zusätzlich einen sogenannten Brenneradapter verlangt, so ergibt sich eine Kostenersparnis von nahezu 50% !

Der erfindungsgemäße, zweistufige, atmosphärische Gasbrenner wird nachfolgend an Hand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigt schematisch

Fig. 1 das Aufbau- und Verschaltungsprinzip des Gasbrenners für einen Leistungsbereich ab 70 kW;

Fig. 2 das Aufbau- und Verschaltungsprinzip eines Gasbrenners für einen Leistungsbereich ab 100 kW;

Fig. 3 das Aufbau- und Verschaltungsprinzip nach Fig. 2 in optimierter Ausführungsform;

Fig. 4 das Aufbau- und Verschaltungsprinzip nach Fig. 3 in besonderer Ausführungsform und

Fig. 5, 6 zum Vergleich die bisher praktizierten, bekannten Verschaltungsprinzipien.

Der atmosphärische, mehrstufige Gasbrenner besteht gemäß Ver gleichsfig. 4 nach wie vor aus zwei separat angeordneten, mit via Kesselregelung 1, Feuerungsautomaten 2 und Gaskombiregler (hierbei dessen Ventil 9 jedoch noch ohne Modulationsspule) regelbarer Gaszufuhr 3 versehenen Brennermodulen 4, 5 und aus Einrichtungen 6 zur Zündung und Überwachung. Die nur sche matisch in Fig. 1 dargestellten Brennermodule 4, 5 hat man sich dabei, wie vorerwähnt, jeweils in Form eines Verteilungsrohres 4', 5' vorzustellen, von denen aus die eigentlichen Brenner rohre abgehen, die nicht dargestellt sind.

Für einen solchen Gasbrenner ist nun unter Verweis auf Fig. 1 wesentlich, daß jedes Brennermodul 4, 5, ausgehend von einem gemeinsamen Gaszufuhranschluß 3', eine eigene Gaszufuhrleitung 7, 8; 7', 8' aufweist, wobei in jeder Gaszufuhrleitung ein Gas kombiregler GKR angeordnet ist. Jeder dieser Gaskombiregler ist dabei gebildet aus jeweils einer mit dem Zündgassteuerungs anschluß 14 des Feuerungsautomaten 2 verbundenen Modulations spule 10, 10' und zugehörigem Zündgasventil 9, 9' und aus je weils mit dem Hauptgassteuerungsanschluß des Feuerungsautomaten 2 verbundenen Druckregler 12, 12' mit zugehörigem Haupt gasventil 11, 11'. Die Einrichtungen 6 zur Zündung und Über wachung sind dabei nur an einem der Brennermodule angeordnet (hier Brennermodul 4), wobei an diesem Modul 4 ein mit der An steuerung des Hauptgasventiles des anderen Moduls in Wirkver bindung stehender Druckschalter 13 angeordnet ist.

Entscheidend ist hierbei die Anordnung von Gaskombireglern in jeder der Gaszufuhrleitungen 7, 8 im Gegensatz zur Anordnung eines entsprechend groß dimensionierten und damit teuren Gaskombireglers GKR gemäß Vergleichsfigur 5, der allein die bei Vollast geforderte Gesamtgasmenge durchlassen muß.

Die Zweistufensteuerung der beiden Gaskombiregler erfolgt jeweils durch die dem Druckregler 12 vorgeschaltete Modu lationsspule 10, die nur zwei Schaltstellungen hat und deren Ansteuerung durch Spannungsabgriff vom Zündgasventilanschluß 14 direkt über den Schaltkontakt vom Regelungsstecker 15 aus erfolgt, wodurch der sonst erforderlicher Brenneradapter BA (siehe Vergleichsfigur 4) entbehrlich wird.

Die Fig. 2 zeigt einen Mehrstufenbrenner, bei dem drei Brenner module 4, 5, 5', wie dargestellt, miteinander verschaltet sind, welche Ausbildung und Verschaltung bei einem Leistungsbereich ab 100 kW notwendig würde. Entsprechende Elemente sind hierbei mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Gleiches gilt für die optimierte, zweistufige und noch näher zu erläuternde Aus führungsform gemäß Fig. 3, bei der jede Stufe mit einem Druckschalter 13 ausgestattet ist.

Der Brenner arbeitet, orientiert an der zweistufigen Ausfüh rungsform gemäß Fig. 1, wie folgt, wobei vorausgeschickt sei, daß der Brenner über den sogenannten Feuerungsautomaten 2 mit der Kesselregelung 1, wie dargestellt, verschaltet ist. Der Feuerungsautomat 2 weist dabei Verschaltungsanschlüsse auf, nämlich Zündgasventilanschluß 14 für die Zündventile 9, 9' bzw. deren Modulationsspulen 10, 10', Anschluß 16 für die Hauptgasventile 11, 11', Anschluß 17 für die Zündung und Anschluß 18 für die Ionisation.

Zündung bei Teillast

Vorausgeschickt sei, daß mit Rücksicht auf Zündgeräusche die Brennerzündung immer bei Teillasteinstellung erfolgt.

Über die Kesselregelung 1 erhält der Feuerungsautomat 2 Wärme anforderung, der dann die Zündgasventile 9, 9' öffnet. Die Modulationsspulen 10, 10' sind zu diesem Zeitpunkt üben den Schaltanschluß 15 ohne Spannung, d. h., deren Ventile befinden sich in nur teilgeöffneter Position. Gleichzeitig wird die Zündung via Anschluß 17 am Feuerungsautomaten 2 aktiviert. Der Brennermodul 4 wird vom Pilotbrenner 6' gezündet und dies über die Ionisationselektrode (nicht dargestellt) dem Feuerungsauto maten 2 gemeldet. Danach werden die Hauptgasventile 11, 11' geöffnet, wobei im Modul 4 sofort Gas strömt, im Modul 5 aber erst nach entsprechendem Druckaufbau im Modul 4, d. h., nach Schließen des Druckschalters 13.

Umschalten von Teil- auf Vollast:
Wird von der Kesselregelung 1 signalisiert, daß die Brenner leistung nicht ausreicht, schaltet der Kontakt im Schaltan schluß 15, d. h., die Modulationsspulen 10, 10' erhalten Span nung und öffnen auf vollen Gasdurchsatz.

Umschaltung von Voll- auf Teillast:
Ist aufgrund geringerer Wärmeanforderung nur Betrieb mit Teil last erforderlich, so wird bei ausreichender Brennerleistung der Kontakt im Schaltanschluß 15 geöffnet, und die Modulations spulen 10, 10' fallen auf ihren minimalen Durchsatz von bspw. nur 60%. Bzgl. einer derartigen Umschaltung und umgekehrt müßte für diese Aufgabe bei der vorbekannten Ausführungsform gemäß Vergleichsfig. 4 ein sogenannter Brenneradapter BA vorge sehen werden.

Bezüglich des im vorliegenden Zusammenhang benutzten Begriffes "unbehinderte Zündnähe" ist zu verstehen, daß der Pilotbrenner 6' die Brennerstäbe des ersten Brennermoduls 4 zündet, während die Brennerstäbe des zweiten Moduls 5 und ggf. weiterer Module (siehe Fig. 2) von den bereits gezündeten Brennerstäben des Moduls 4 gezündet werden.

Was nun die optimierte Ausführungsform gemäß Fig. 3 betrifft, so unterscheidet sich diese von der gemäß Fig. 1 insofern, als auch am zweiten Modul bzw. den Folgemodulen ohne Pilotbrenner ein Druckschalter bzw. Druckwächter 13, wie dargestellt, ange ordnet und die ganze Schaltung mit einem mit den Druckwächtern verschalteten Zeitglied 19 versehen ist, um dem Sicherheits standard eines solchen Brenners verbessert zu genügen, wobei bzgl. möglicherweise auftretender Fehler ein vorteilhaft derart weiter ausgebildeter Brenner wie folgt auf Fehler reagiert.

Fall I)

Ventil 11 vom Modul 4 mit Zündsystem öffnet nicht:
Der Feuerungsautomat 2 registriert nur, ob sich am Pilotbrenner 6' eine Flamme bildet. Würde das Ventil 11 nicht öffnen, wäre keine "ungehinderte Zündnähe" mehr gegeben. Daher wird das Öff nen mit dem Druckschalter 13 bzw. Druckwächter überwacht, der die Stromversorgung für alle nachfolgenden Ventile 11' des bzw. der weiteren Module erst nach Druckaufbau freigibt.

Fall II)

Ventil 11' vom Modul 5 (ohne Zündsystem) öffnet nicht:
Hierbei könnte durch die ungleichmäßige Wärmebelastung im Feuerraum des betreffenden Heizkessels eine erhöhte CO-Konzen tration auftreten. Abhilfe schafft hier ein weiterer Druck schalter 13' bzw. Druckwächter am Verteilerrohr 5' des Moduls 5, d. h., an jedem Verteilerrohr 4', 5' ist ein solcher Druck wächter angeordnet, welche Druckwächter mit dem vorerwähnten Zeitschaltglied 19 verschaltet sind, das diese in den ersten bspw. fünf Sekunden nach Spannungsbeaufschlagung geschlossen hält. Hat sich nach fünf Sekunden kein Druck in allen Verteilerrohren 4', 5' aufgebaut, wird die Spannungsversorgung von allen Ventilen 11, 11' . . . unterbrochen.

Fall III)

Ventil 11 vom Modul 4 (mit Zündsystem) bleibt geöffnet hängen:
Nach Öffnung des Ventils 9 würde sofort Gas in den Brenner strömen. Dieser Fehler hat sich jedoch als unkritisch erwiesen, da der Zündfunke des Pilotbrenners 6' die ausströmenden Gase sofort zündet.

Fall IV)

Ventil 11' vom Brennermodul 5 (ohne Zündsystem) bleibt geöffnet hängen:
Sofort nach Öffnung des Zündventiles 9' strömt Gas in den Feuerraum in einen Bereich, der nicht unmittelbar vom Zünd funken gezündet wird, was mit der Gefahr einer Verpuffung verbunden wäre. Um dies auszuschließen, sind alle Ventile 9' . . . von Modulen ohne Zündsystem so geschaltet, daß sie erst mit Freigabe der Hauptgasventile 11, 11', . . . öffnen, d. h., es ist eine doppelte Ventilsicherheit gewährleistet.

Im Fall I besteht außerdem eine zusätzliche Fehlermöglichkeit darin, daß der Druckschalter bzw. Druckwächter 13, der ja die Öffnung des Hauptgasventiles 16 überwachen soll, in geschlos senem Zustand hängen bleibt, was bedeutet, daß ein Öffnen des Hauptgasventiles signalisiert würde und dies mit der Folge, daß die Zündeinrichtung 6 die nicht in Zündnähe befindlichen Brennermodule zünden müßte. Da dies nicht ohne eine gewisse Verzögerung erfolgen kann, wäre dies mit einer Verpuffung ver bunden.

Um auch einem diesbezüglichen Sicherheitserfordernis auf ein fache Weise zu genügen, besteht unter Verweis auf Fig. 4 eine vorteilhafte Weiterbildung darin, daß der Druckschalter 13 am mit der Zündeinrichtung 6 versehenen Brennermodul 4 in Form eines Druckwechselschalters 13" ausgebildet und dieser neben seiner Verschleifung mit dem Hauptgasventil 11 mit der Zulei tung für die Zündeinrichtung 6 verschaltet ist, wobei zwischen den Verschaltungsleitungen L, L' zu den Zündeinrichtungen 6 und zum Hauptgasventil 11 ein Relaiskontakt RK angeordnet ist. Würde ein solcher Druckwechselschalter 13" nach Brennerab schaltung hängenbleiben, könnte für den nächsten Brennerstart keine Zündung erfolgen, und das Gerät geht auf Störung. Der erwähnte Relaiskontakt RK ist dabei deshalb erforderlich, um einen Kurzschluß zu den Hauptgasventilen zu vermeiden.

Zum übrigen handelt es sich beim RP bezeichneten Element um einen Druckregler und bei dem mit SMD bezeichneten um eine Modulationsspule.

Claims

1. Mehrstufiger, atmosphärischer Gasbrenner für Heizkessel, insbesondere Heizkessel für Leistungsbereiche ab 70 kW, bestehend aus mindestens zwei separaten Brennermodulen (4, 5), deren zu ihren Gasverteilern (4', 5') führenden, mit feuerungsautomatgeregelten Zündgas- und Hauptgasventilen (9, 11; 9', 11') bestückte Gaszufuhrleitungen (7, 8) von einer gemeinsamen Gaszufuhr (3) ausgehen, und ferner bestehend aus Zündsystemeinrichtungen (6), dadurch gekennzeichnet, daß die Zündgas- und Hauptgasregelventile (9, 11; 9', 11') durch Zuordnung von Modulationsspulen (10, 10') und Druckreglern (12, 12') als Gaskombiregler (GKR) in den Gaszufuhrleitungen (7, 8) angeordnet und mit nur einem Feuerungsautomaten (2) verschaltet sind und daß die Zündsystemeinrichtungen (6) nur an einem der mindestens zwei Brennermodule (4, 5) angeordnet sind, deren wirksame Brennerflächen in unbehinderter Zündnähe einander zugeordnet sind, und daß am mit den Zündsystemeinrichtungen (6) versehenen Modul (4) ein mit der Ansteuerung des Hauptgasventiles (11') des anderen Moduls (5) in Wirkverbindung stehender Druckschalter (13) angeordnet ist.

2. Gasbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch zündsystemfreie Brennermodule (5', . . .) jeweils mit einem Druckschalter (13') versehen und alle Druckschalter (13, 13'. . .) unter Zwischaltung eines Zeitschaltgliedes (19) zum Hauptgassteuerungsanschluß (16) des Feuerungsautomaten (2) sowohl mit den Druckreglern (12, 12') als auch den Modulationsspulen (10, 10') der Gaskombiregler (GKR) verschaltet sind.

3. Gasbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckschalter (13) am mit der Zündeinrichtung (6) versehenen Brennermodul(4) in Form eines Druckwechsel schalters (13") ausgebildet und dieser neben seiner verschleifung mit dem Hauptgasventil (11) mit der Zulei tung für die Zündeinrichtung (6) verschaltet ist, wobei zwischen den Verschaltungsleitungen (L, L') zu den Zündeinrichtungen (6) und zum Hauptgasventil (11) ein Relaiskontakt (RK) angeordnet ist.