DE2348953A1

DE2348953A1 - Gasbrenner fuer fahrzeugheizungen

Info

Publication number: DE2348953A1
Application number: DE19732348953
Authority: DE
Inventors: Richard James Brown
Original assignee: TRI MEN Manufacturing Inc
Current assignee: TRI MEN Manufacturing Inc
Priority date: 1972-09-28
Filing date: 1973-09-28
Publication date: 1974-04-11
Also published as: CA985157A; US3782887A; GB1446952A; JPS4993933A

Description

TRI-MEN Manufacturing Inc..
Paine_.sville, Ohio/USA

Gasbrenner für Fahrzeugheizungen

Die Erfindug bezieht sich auf Gasbrenner mit relativ kleinen Abmessungen, wie sie besonders zur Raumheizung in Wohnwagen, Fahrzeugen, Schiffen u.dgl. benötigt werden. An derartige Heizungen werden sehr hohe Ansprüche gestellt. Sie müssen bei ungünstigen und weitschwankenden Umgebungstemperaturen zuverlässig und sicher arbeiten, möglichst kompakt sein und im Betrieb ein Minimum an Leistung brauchen. Ferner müssen sie geräuscharm und mit hohem Wirkungsgrad arbeiten.

Der erfindungsgemäße Brenner ist deshalb äußerst kompakt, hat aber dennoch eine sehr hohe Leistungsabgabe. Bei einem Raumbedarf von etwa 4,5 1 besitzt der Brenner eine Leistung

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von mehr als 5000 kcal/Stunde, bei einem Wirkungsgrad von mehr als 80%. Außerdem arbeitet der Brenner geräuscharm, zuverlässig und sicher.

Der gasförmige Brennstoff und Luft werden bei über der Atmosphäre liegendem Druck zugeführt. Zum Mischen der Verbrennungsluft bzw. Primärluft und des gasförmigen Brennstoffes verwendet man das Venturiprinzip, wobei der gasförmige Brennstoff an der Engstelle des Venturirohres der Strömung der Verbrennungsluft zugeführt wird, so daß das immer noch unter überdruck stehende Gemisch sich schnell ausdehnt und über eine tief gehaltene Brennerplatte auf einer relativ großen Fläche verbrennt.

Gemäß der Erfindung wird ferner die in den Brenner eintretende Luft in zwei Teile gegliedert: Ein Teil geht, wie oben erläutert, zu einem Venturirohr und wird dort mit dem Brenngas vermischt. Der zweite und geringere Teil dient als Kühlmedium und wird der Verbrennungszone als Sekundärluft zugeführt, die die vollständige Brennstoffverbrennung unterstützt. Die Primärluft wird somit im Venturirohr mit dem gasförmigen Brennstoff innig vermischt. Die Sekundärluft wird dem Brennerkopf zugeführt, aber vor den Brennerdurchlässen nicht mit dem Brennstoff vermischt.

Gemäß der Erfindung wird das brennbare Primärluft-Gas-Gemisch vor der Verbrennung relativ kühl gehalten. Der (in der .Strömungsrichtung) hintere Teil des Venturirohres öffnet sich in einem weit divergierenden Winkel, so daß sich das Gasgemisch auf dem Weg zur Brennerplatte schnell ausdehnen kann. Dadurch wird die maximale Durchmischung von Brennstoff und Luft weiter gefördert und außerdem der Gegendruck am Venturirohr reduziert, der bei nennenswerter

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Erwärmung des Gasgemisches auftreten könnte.

Der Gasbrenner gemäß der Erfindung liefert eine leuchtende, ruhige, weiche und relativ kurze Flamme, die ohne nennenswerte Rückstände an gefährlichen oder schädlichen Rückständen (wie z.B. Kohlenmonoxyd) brennt. Der erfindungsgemäße Brenner liefert somit eine saubere Flamme.

An sich ist die Verwendung des Venturiprinzips bei Brennern, z.B. Bunsenbrennern, bekannt, dient jedoch dort vor allem der Ansaugung der Verbrennungsluft und erhöht die Verbrennungsgeschwindigkeit des Brenners nicht im nennenswerten Umfang. Außerdem besitzen diese bekannten Brenner ein relativ langes und schwach divergierendes Venturirohr. Da der erfindungsgemäße Brenner in seinen Abmessungen sehr beschränkt ist, kommen die bekannten Brennerformen nicht in Betracht. Wenn bei bekannten Brennern zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Brennstoff bei über dem Atmosphärendruck liegenden Druck zugeführt wurde, so wurde der Brenner damit automatisch laut. Typische Beispiele hierfür sind die Lötlampe und andere Strahlbrenner. Da der erfindungsgemäße Brenner in der Nähe von bewohnten Räumen, beispielsweise in Wohnwagen, arbeiten soll, muß er praktisch geräuschfrei sein, so daß die bekannten Brenner ausscheiden.

Der erfindungsgemäße Brenner besitzt eine vorzugsweise mit einer Zündkerze kontinuierlich arbeitende Zündeinrichtung, die über eine lange Betriebszeit sicher und zuverlässig arbeitet. Die Zündeinrichtung des Brenners wird hierzu so angeordnet, daß sie von dem eintretenden Luft- und Gasgemischen gekühlt wird. Ferner sind die Teile der Zündeinrichtung, vor allem die Elektrodenspitze außerhalb der intensiven Ver-

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brennungszone, aber dennoch in der Nähe der Zone angeordnet, in der die Verbrennung erfolgt.

Die detailliertere Erläuterung der Erfindung erfolgt unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt eines Brenners mit einer Verbrennungskammer,

Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie IL-H nach Fig. 1, von der Brennermündung aus gesehen,

Fig. 3 einen Teilschnitt durch die Engstelle des Venturirohres mit den Brenngasausmündungen, geschnitten in der Ebene III-III,

Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch die Venturi-Anordnung, den tragenden Flansch und die Verbrennungskammer, zur Erläuterung der Luft- und Gasströmung und des Verbrennungsvorganges,

Fig. 5 eine Stirnansicht des Strömungsrohres von der Eintrittsseite mit einer Ansicht der Einlaßöffnungen für die Primärluft der festen Primärluftplatte,

Fig. 6 Details der Einstellung für die Luftplatten, Fig. 7 einen Teil der Zündeinrichtung und

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Heizsystems mit dem erfindungsgemäßen Brenner.

Der erfindungsgemäße Brenner umfaßt in der bevorzugten Ausführungsform ein Brennergehäuse B, das eine Venturianordnung V,

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einen Gaseinlaß G, einen Verbrennungslufteinlaß A und eine Zündeinrichtung I einschließt.

Das gemäß Fig. 1 büchsenförmige Brennergehäuse besitzt eine offene Mündung mit einer Stirnwand 2 und einer Umfangswand 3 mit einem Flansch 4 zur Anbringung des Brenners an einer Verbrennungskammer H. Die Stirnwand besitzt eine Nabe 6, die zur Aufnahme eines Gasanschlusses 7 und eines Einstellstiftes 8 und seiner Gegenmutter 9 mit Bohrungen und Gewinde versehen ist. Ein in die Stirnwand (mit dem Gasanschluß 7 verbunden) geschraubter Gasspund 12 auf der Brennerachse besitzt Gasausmündungen 13 in radialer Richtung in einer Ebene etwa in der Hälfte der büchsenförmigen Brennertiefe. Ein Flansch 15 mit einem Bund 16 wird durch Schrauben 18 zwischen der Fläche des Brennerflansches 4 und der Verbrennungskammer H gehalten.

An den Bund 16 angeschweißt ist das Venturirohr V. Die Eintrittsöffnung 20 des Venturirohres trägt Einstellmittel 40 für die Primärluft, von der Stirnwand 4 getrennt. Die Engstelle 22 liegt in der Ebene der Gasausmündungen 13. Der hintere, stark erweiterte Abschnitt 26 des Venturirohres endet unmittelbar nach der Mündung des Brennergehäuses. Das Venturirohr V teilt dadurch das Innere des Brennergehäuses B in zwei Zonen. Das Volumen der ersten Zone im Venturirohr umfaßt eine Mischzone zur Vermischung eines Teiles der Verbrennungsluft mit dem gasförmigen Brennstoff. Durch den zweiten Raum um das Venturirohr strömt die übrige Verbrennungsluft durch eine Reihe kleiner, konzentrischer Sekundärluftöffnungen 17 in die Fläche des Flansches 15. Diese Öffnungen 17 liegen vorzugsweise möglichst knapp neben der Verbindungsstelle von Bund 16 und Flansch 15. Diese öffnungen führen nicht nur die erforderliche Luft zur vollständigen Verbrennung

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zu, sondern auch die Luft zur Kühlung des Venturirohres und der Brennerplatte.

Im Bund 16, kurz hinter der Stirnseite 26 des Venturirohres, befindet sich eine relativ dicke Brennerplatte 30 mit einer großen Anzahl tiefer Durchlässe 32, die über die Plattenfläche gleichmäßig verteilt sind und die Auslaßöffnungen für das Gemisch aus Brennstoff, Gas und Primärluft bilden, das vom Venturirohr V geliefert wird. Das Verhältnis von Durchmesser und- Tiefe der Durchlässe beträgt beim bevorzugten Ausführungsbeispiel 1;4 bei einer Brennerplatte mit einem Durchmesser von 15 mm, mit ca. 250 Durchlässen von etwa 1,6 mm Durchmesser.

Der Brenner eignet sich zum Verbrennen von Gasen mit einem Heizwert von ca. 125 - 630 oder mehr kcal, was mit gutem Wirkungsgrad nur durch eine Steuerung der primären Verbrennungsluft möglich ist. Diese Steuerung wird im Ausführungsbeispiel erreicht durch Anbringen einer primären Luftplatte 41 oberhalb der Eintrittsseite 20 des Venturirohres V gemäß Fig. 5. Die Platte ist mit einer Reihe von Lufteinlaßöffnungen 42 versehen, deren wirksame Größe durch eine bewegliche Verschlußklappe 44 mit fluchtenden Öffnungen 45 steuerbar ist. Der Verschluß ist auf einer Schulter 2a (ein Teil der Brennerstirnwand 2 J gelagert und wird durch den Kurbelstift 8 betätigt, der in der Stirnwand 2 gelagert ist und in einem geschlitzten Flansch 52 einen Stift 46 aufnimmt, den die■Verschlußklappe (Fig. 6) trägt. Durch Drehen der Kurbel wird die Verschlußklappe gegenüber der Luftplatte verdreht, so daß die Eintrittsöffnungen für die Primärluft einstellbar sind. Durch die Kontermutter 9 ist die Kurbel in der gewünschten Stellung fixierbar.

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Der Zünder I enthält eine Elektrode 60 in einer isolierenden Hülse 62, die in einer durch den Brennerkopf .gehenden Öffnung durch die Kontermutter 63 gehalten wird. Das Arbeitsende des Zünders ist in der Nähe der Brennerachse unmittelbar hinter der Brennerplatte 30 angeordnet und erzeugt gegen diese einen kontinuierlichen Lichtbogen. Gemäß Fig. 7 endet die Spitze 64 der Zündelektrode an der Austrittsseite der Brennerplatte 30 an einer Tasche 38. Der Lichtbogen bzw. die Zündfunken gehen von der Spitze 64 zur Wand dieser Tasche. Einige Brennerdurchlässe schneiden die Wand der Tasche 38 und bringen dadurch das brennbare Gasgemisch in den Bereich der Tasche, in dem der Lichtbogen 56 zündet. In dieser begrenzten Zone, etwas vor der Hauptflammenfront, erfolgt dadurch die sichere Zündung über eine Zündflamme. Da die Elektrodenspitze 64 vor der .Flammenfront angeordnet ist, arbeitet sie bei relativ niedriger Temperatur,· was ihre Lebensdauer erhöht. Zwischen der Elektrode und der Brennerplatte 30 steht eine entsprechend hohe Zündspannung an. Um einen guten elektrischen Kontakt zu gewährleisten, ist die Platte vorzugsweise mit dem Flanschbund 16 verschweißt oder verlötet. Der trichterförmige Teil 26 des Venturirohres und die Brennerplatte 30 sind ausgeschnitten und bilden passende Öffnungen 26a und 34 für das Zündelement 60.

Fig. 8 zeigt ein typisches Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brenners in einem Heizsystem S. Der Brenner B ist an einem Verbrennungskammer-Wärmeaustauscher H angebracht, der mit einer Auslaßleitung Hl versehen ist und sich in einer Umhüllung T befindet', der über ein Gebläse F und einem Motor M Luft zugeführt wird. Der gleiche Motor kann ein weiteres Gebläse A antreiben, das über die Leitung Al dem Brenner Verbrennungsluft zuführt. Der gasförmige Brennstoff kommt durch die Leitung G aus einem Gasvorrat mit Atmosphären-

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überdruck (beispielsweise von 20 bis 33 cm Wassersäule). Der Zünder I des Brenners liegt an Hochspannung. Das ganze System ist in einem geeigneten Gehäuse mit Heißluftauslaßöffnungen Sl und Lufteinlaßöffnungen S2 untergebracht. Bei äußeren Abmessungen der ganzen Anlage von nur 35 cm Länge, 33 cm Breite und 23 cm Höhe liefert die Einrichtung fast 4000 kcal/Stunde bei einem Wirkungsgrad von mehr als 80%. Der erfindungsgemäße Brenner hat hierbei einem Durchmesser von weniger als 76 mm bei einer Tiefe von ca. 50 mm und liefert eine ausreichende Flamme für eine ca. 180 mm lange Verbrennungskammer zur Erreichung der oben genanten Ausgangsleistung. Der Brenner arbeitet hierbei sauber und geräuscharm.

Der erfindungsgemäße Brenner ist für konstante Funkenzündung ausgelegt und arbeitet an einem (nicht gezeigten) Steuerungssystem, das thermostatisch und über eine Sicherheitssteuerung den Start, den Betrieb und die Abschaltung bewirkt. Der gasförmige Brennstoff von Atmosphärenüberdruck wird quer zur Engestelle 22 des Venturirohres durch Ausmündungen eingeleitet, vorzugsweise mit einem Leitungsdruck von ca. 20 bis 33 cm Wassersäule (vergl. Fig. 3). Gleichzeitig wird dem Kopf Verbrennungsluft tangential durch die Öffnung mit einem,Druck von ca. 2,5 bis 5 cm Wassersäule zugeführt. Die Luft wird in zwei Teile aufgegliedert: Der Hauptteil geht durch die Primärluftöffnungen 42 und 45 in das Innere des Venturitrichterabschnittes 20 und der übrige Teil der Luft geht um das Venturirohr und durch die Sekundärluftlöcher 17. Die in das Venturirohr eintretende Luft gelangt in den verengten Abschnitt 22 und zieht das Brenngas aus den Ausmündungen 13 in die Strömung, so daß eine gute Durchmischung von Gas und Luft entsteht. Dieses Merkmal ist wesentlich, da eine Veränderung der Strömungsrate durch die Engstelle (bei-

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spielsweise durch LeistungsSchwankungen des Gebläses infolge äußerer Einflüsse, infolge Spannungsschwankungen usw.) automatisch die Gasansaugung reguliert und das Luft-Gas-Verhältnis des Gemisches nach der Engstelle konstant hält. Je größer die Luftströmung durch die Engstelle 22, umso größer ist auch der Gasansaugeffekt und umgekehrt. Das die Engstelle 22 verlassende Gas-Luftgemisch expandiert schnell und vermischt sich weiter, so daß der Brennerplatte 30 ein gleichförmig brennbares Gemisch zugeführt wird.

Bei einer Ausfuhrungsform eines Brenners mit einer Brennerplatte von 5 cm Durchmesser besitzt das Venturirohr einen Einlaßkonus 20 von ca. 1 cm Tiefe, dessen Seiten mit einem eingeschlossenen Winkel von 120 konvergieren, eine Engstelle mit einem Durchmesser von 2,5 cm und ca. 1 cm Länge und einen danachjfolgenden Trichter 26, der mit einem eingeschlossenen Winkel von 90 divergiert. Das Volumen des nachfolgenden konischen Abschnittes, d.h. des Trichters 26, ist größer als die in Strömungsrichtung vorherliegende Anordnung, damit das durch das hinzugefügte Brenngas und durch die Ausdehnung bei höherer Temperatur in der Nähe der Verbrennungszone erhöhte Gasvolumen ausreichend Raum hat. Zweckmäßig ist die Aufrechterhaltung eines gleichförmigen, inneren Druckes im Venturirohr, mit Ausnahme der Engstelle, wo der Druckabfall so ausgelegt ist, daß er das Einspritzen und Mischen des gasförmigen Brennstoffes unterstützt. Erreicht wird dies durch entsprechende Dimensionierung der Primärluftöffnungen 4 2, ausgeglichen durch die Größe und Anzahl der Brennyierdurchlaßöffnungen 32.

Der Raum im Brennerkopf 1 und außerhalb des Venturirohres wird annähernd auf dem gleichen Druck gehalten, der auch inner-

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halb der Trichterabschnitte 22 und 26 des Venturirohres herrscht (d.h. nicht ganz 4 cm Wassersäule). Die Luft strömt spiralförmig, gleitet am Venturirohr entlang und kühlt dieses und geht durch die Sekundärluftoffnungen 17 in den Flansch 15. Abhängig vom Querschnittsverhältnis der Primärluftoffnungen 42 bis 45 und der Sekundärluftöffnungen 17 gehen ca. 3/4 der Verbrennungsluft als Primärlust in das Venturirohr und ein Viertel der Verbrennungsluft geht als Sekundärluft durch die öffnungen Die Sekundärluft erfüllt zwei Aufgaben: sie geht erstens zur Verbrennungskammer H und ermöglicht eine vollständige und richtig gesteuerte Verbrennung und zweitens dient sie zur Ventilation oder Kühlung der Brennerteile einschließlich der Brennerwand 3, des Venturirohres V, der Brennerplatte 30 und des Zünders I. Da das die Brennerdurchlässe 32 passierende Gas-Luftgemisch leicht verbrennbar ist, d.h. an den Durchlässen entzündet und Verbrannt wird, gestattet die Zuführung der Sekundärluft eine weichere Flamme aus den Durchlässen 32 und führt zu einer vollständig ruhigen Verbrennung in kurzem Abstand von der Brennerplatte 30. Praktische Versuche mit dem Brenner haben gezeigt, daß das Primärluft-Gas-Gemisch zunächst in weichen Strahlen von der Brennerfläche wegbrennt. Die Strahlen vereinigen sich zu einem gleichförmigen, schnell brennenden, hydroxylierenden Flamme oder zu einem inneren Mantel ,von einer Länge annähernd dem anderthalbfachen Brennerplattendurchmesser. Diese Flamme umgibt ein blauer, äußerer Mantel, der die Verbrennungskammer H ausfüllt und die vollständige Verbrennung innerhalb eines Abstandes des 3-fachen Brennerplattendurchmessers gewährleistet. Wenn der Druck im Venturiabschnitt 26 auf der Zuströmseite der Brennerplatte 30 aufrechterhalten wird und eine relativ dicke und kühl arbeitende Brennerplatte und tiefe Durchlässe

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32 vorhanden sind, besteht keine Gefahr eines"Rückschlagens" durch die Durchlässe, obgleich das Gas-Luftgemisch ohne weiteres brennbar ist. Die Verbrennung erfolgt direkt auf der Fläche der Brennerplatte 30, so daß zur vollständigen Verbrennung eine minimale Flammenlänge genügt.

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Claims

Patentansprüche :

1./Gasbrenner für Fahrzeugheizungen u.dgl., mit einem -■^ büchsenförmigen Brennerkopf mit einer Stirnwand und einer zylindrischen Wand, die einen Luftraum mit offener Mündung umschließt, gekennzeichnet durch Mittel " zur Einleitung von Verbrennungsluft bei Atmosphärenüberdruck in der Nähe der Stirnwand tangential in das Innere des Kopfes, durch Mittel zur Einleitung von gasförmigen Brennstoff unter Druck über Durchlässe in radialer Richtung, an einem Punkt der Längsachse des Brenners im Abstand von der Stirnwand, durch einen Drosselflansch, an der Mündung des Kopfstückes angebracht und diese teilweise verschließend und danach in Strömungsrichtung in eine zylindrische Hülse auslaufend, durch ein stark erweitertes Venturirohr am hinteren Ende der Hülse, dessen Engstelle in der Nähe der Gasdurchlässe liegt und dessen Zulaufseite von der Stirnwand getrennt ist, durch eine perforierte Platte über der Zulaufseite des Venturirohres, durch die die Primärluft in das Venturirohr eintritt, und durch eine vielfach gelagerte Brennerplatte an der Abströmseite der Hülse im Abstand von der divergierenden Wand des Venturirohres.

2. Gasbrenner nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine vom Kopf getragene elektrische Zündung, die auf die Abströmseite der Brennerplatte wirkt.

3. Gasbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerplatte eine Tasche besitzt und daß die Zündung

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in der Tasche einen Zündfunken zur Verbrennung des gasförmigen Geraisches erzeugt.

4. Gasbrenner nach den vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch eine Luftklappe zum Regulieren der in das Venturirohr eintretenden Primärluftströmung.

5. Gasbrenner nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Mittel zur Einstellung der Luftklappe von außerhalb des Brennerkopfes .

6. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch einen Drosselflansch mit einem konzentrischen Ring von Sekundärluftdurchlässen an der Mündung des Hohlraumes entlang der Außenfläche der Hülse.

7. Gasbrenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Luftklappeneinstellung ein Kurbelstift in der Stirnwand des Brenners vorgesehen ist.

8. Gasbrenner nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Hochspannungszündelektrode, die am Kopf festgemacht ist und durch den Hohlraum reicht und in der Tasche annähernd an der Brennerachse endet.

9. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Durchmesser zu Länge der Durchlässe in der Brenrarplatte im Bereich von 0,25 bis 0,33 liegt.

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