DE2914681C2

DE2914681C2 - Steuervorrichtung für einen Brenner

Info

Publication number: DE2914681C2
Application number: DE2914681A
Authority: DE
Inventors: Yukio Nara Nagaoka; Yoshio Yamamoto; Yoshiyuki Koriyama Nara Yokoajiro
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1978-04-17
Filing date: 1979-04-11
Publication date: 1986-01-30
Also published as: GB2018970A; US4385887A; FR2426212B1; GB2018970B; JPS54137128A; DE2914681A1; JPS6018887B2; FR2426212A1

Description

a) zwischen der Luftzuleitung (4) und dem nachgesclialteten Brenner (3) ein Vermisch-Injektor (2) mit ίο einem Lufteinlaßabschnitt (8), einem anschließenden Verengungsabschnitt mit in Strömungsrichtung

abnehmendem Querschnitt, einem anschließenden Düsenabschnitt (10) mit gleichbleibend engem Durchmesser und einer dem 0,5- bis dreifachen seines Durchmessers entsprechenden Länge, einem an diesen anschließenden, sich zum Brenner (3) hin erweiternden Auslaßabschnitt (11) und einer im Verengungsabschnitt (9) angeordneten, koaxial zum Düsenabschnitt (10) hin ausgerichteten Brennstoff-IS düse (12) mit einem dem 0,3- bis 0,5fachen des Innendurchmessers des Düsenabschnitts (10) entsprechendem Außendurchmesser angeordnet ist, und

b) das Durchfluß-Regelventil (S) einen in Strömungsrichtung hinter der Ventilöffnung (15) liegenden Druckgefälleabschnitt (18), eine mit dem Ventilkörper (16) verbundene, in ihrer Größe etwa der Ventilöffnung (15) entsprechende Hilfsmembran (24), eine demgegenüber größere, ebenfalls mit dem Ventilkörper (16) verbundene Hauptmembran (20), eine zwischen den Membranen (20,24 ) liegende, mit der Niederdruckzone (21) des Druckgefälleabschnitts (18) kommunizierende Membrankammer (22) und eine von dieser durch die Hauptmembran (20) getrennte, über die Verbindungsleitung (28) mit dem Lufteinlaßabschnitt (8) des Vermisch-Injektors (2> verbundene Luftkammer (23) aufweist.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennstoffzuleitung (7) zwischen dem Durchfluß-Regelventil (5) und der Brennstoffdüse (12) ein Absperrventil (6) angeordnet ist

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Auslaßabschnitt (19) des Durchfluß-Regelventils (5) vom Druck im Lufteinlaßabschnitt (14) des Injektors (5) um höchstens 1,5 mm Wassersäule abweicht.

Die Erfindung betrifft eice Steuervorrichtung für einen Brenner, mit einer Luftzuleitung, einer Brennstoffzuleitung und einem in dieser angeordneten Durchfluß-Regel ventil mit einer durch einen Ventilkörper absperrbaren Ventilöffnung, ei ner mi t dem Ventilkörper verbundenen Membran und einer an diese angrenzenden, über eine Verbindungsleitung mit der Luftzuleitung kommunizierenden Luftkammer.

Bei der aus der GB-PS 14 05 093 bekannten Steuervorrichtung dieser Art mündet die Brennstoffzuleitung unmittelbar im Brenner, dessen in einen Ofen gerichtete Brennerflamme direkt am Austrittsende der Brenn-Stoffzuleitung beginnt, so daß keine Vormischung von Brennstoff und Luft erfolgt. Die vom Brennstoff auf die Membran und den mit dieser verbundenen Ventilkörper ausgeübten Drücke heben sich im Betrieb praktisch gegeneinander auf. Der über das Ventil und die Verbindungsleitung zur Luftzuleitung in der Luftkammer herrschende Luftdruck wirkt dem auf die Unterseite des Ventilkörpers einwirkenden Flüssigkeitsdruck entgegen, der den Auslaßdruck des Durchfluß-Regelventils darstellt. Dadurch ändert sich bei Veränderungen der Brennstoffzufuhr das Luftüberschußverhältnis in unerwünschter Weise etwa gemäß der (Linie »A«in F i g. 6), da kein Druckausgleichseffekt erzielt werden kann. Bei den für nichtindustrielle Anwendungen typischen niedrigen Brennstoffdrucken kann so ein geeignetes Luftüberschußverhältnis nicht gewährleistet werden.

Aus der US-PS 29 62 094 ist ein Gebläsebrenner bekannt, bei dem zwischen dem Drucksteuerventil und der Brennstoffeinlaßöffnung ein Absperrventil angeordnet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steuervorrichtung für einen Brenner der eingangs genannten Art anzugeben, die bei einfachem Aufbau eine gleichbleibende Brennerleistung auch im Bereich niedriger und variierender Luft- und Brennstoffzufuhren gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die Steuervorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf.
Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 und 3 definiert.

Die Steuervorrichtung hält das Luftüberschußverhältnis in einem festen Bereich, stellt eine stabile Verbrennung sicher und gewährleistet, daß bei Änderung der Verbrennungsmenge der Brennerwirkungsgrad sich nicht unerwünscht ändert. Insbesondere werden Druckverluste in der Luftzuleitung zu dem Luft/Brennstoff-Mischbereich verringert, so daß durch Verkleinerung des Gebläses die gesamte Verbrennungs-Vorrichtung kleiner und leichter ausgeführt werden kann.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung,

Fig. 2 einen Schnitt eines Vormisch-Injektors,

Fig. 3 diagrammatisch das Verhältnis zwischen der Luftzufuhr u.'.d dem resultierenden effektiven Druckunterschied am Vormisch-Injektor,

Fig. 4 und 5 diagrammatisch die Einflüsse des resultierenden effektiven Druckunterschieds und des Durchfluß-Regelventils auf das Luftüberschußverhältnis.

Fig. 6 und 7 diagramniatisch das Verhältnis zwischen der Durchflußrate durch das Durchfluß-Regelventil und der Änderung des Auslaßdrucks, und

Fig. 8 a, 8 b, 9, 10 und 11 die Einflüsse verschiedener weiterer Faktoren auf den Vormisch-lnjektor.

F i g. 1 zeigt ein Gebläse 1 mit einer Luftzuleitung 4, an deren Ende ein Vormisch-lnjektor 2 angeordnet ist, der Brennstoff und Luft mischt und einem Brenner 3 zur Verbrennung zuführt. Der Brennstoff -wird durch ein s Durchfluß-Regelventil 5, ein Absperrventil 6 und eine Brennstoffzuleitung 7 zum Vonnisch-Injektor 2 geführt. Dieser umfaßt einen Lufteinlaßabschnitt 8 am Ende der Luftzuleitung 4, einen anschließenden Verengungsabschnitt 9, mit in Strömungssrichtung abnehmendem Querschnitt, einen anschließenden Düsenabschnitt 10 und einen zu diesen Koaxialen, sich zum Brenner 3 hin erweiternden Auslaßabschnitt 11. Mit der Brennstoffzuleitung 7 ist eine konzentrisch auf die Einlaßfläche des Düsenabschnitts 10 gerichtete Brennstoffdüse 12 verbun- ι ο den. So werden in den Düsenabschnitt 10 Brennstoff und Luft von dessen mittleren Abschnitt bzw. dem Randabschnitt her zugeführt und fließen sich mischend hindurch. Dieses Gemisch wird im Auslaßabschnitt 11 beschleunigt und der Druck so wieder hergestellt Eine Düse 13 beeinflußt die zugeführte Brennstoffmenge.

Der Brennstoff tritt in den Brennstoffeinlaßabschnitt 14 des Durchfluß-Regelventils 5 und fließt durch ein Steuerventil mit einer Ventilöffnung 15 und einem Ventilkörper 16 in eine Ventilkammer 17 und von dort durch einen Druckgefalleabschnitt 18, dessen Auslaßabschnitt 19 mil dem Absperrventil 6 verbunden ist Eine Hauptmembran 20 dient zur Bewegung des Ventilkörpers 16. Auf der einen Seite der Hauptmembran 20 liegt eine Membrankammer 22, die durch den Brennstoffdruck in einer Niederdruckzone 21 des Druckgefalleabschnitts 18 beeinflußt wird, während auf der anderen Seite der Hauptmembran 20 eine Luftkammer 23 vorgesehen ist, der der Luftdruck in dem Lufteinlaßabschnitt 8 des Vonnisch-Injektors 2 über eine Verbindungsleitung 28 zügeführt wird. Eine Hilfsmembran 24 weist im wesentlichen die gleiche Größe wie die Ventilöffnung 15 auf und trennt den Brennstoffeinlaßabschnitt 14 von der Membrankammer22. Eine von einer Einstellschraube 26 gehaltene Einstellfeder 25 wirkt auf die Hauptmembran 20. Eine Abdeckkappe 27 schützt gegen ein eventuelles Lecken an der Einstellschraube 26.

Der Betrieb der beschriebenen Steuervorrichtung wird im folgenden veranschaulicht. 2s

Wie Fig. 1 zeigt, wird die zur Verbrennung notwendige Luft durch das Gebläse 1 zugeführt, während der Brennstoff, dessen Druck durch das Durchlaß-Regelventil 5 im Verhältnis zur Luftmenge eingestellt ist, nach Öffnung des Absperrventils 6 durch die Brennstoffdüse 12 abgegeben und dadurch mit der Luft vermischt dem Brenner 3 zugeführt wird.

Dabei wird zwischen der Brennstoffmenge und der Luft ein Luftüberschußverhältnis eingestellt, das eine vollständige Verbrennung und damit die höchstmögnche thermische Ausnutzung sicherstellt Die Einstellung erfolgt durch Ändern der eingeblasenen Luftmenge, wobei das optimale Luftüberschußverhältnis erhalten bleibt. Bislang wurde diese Art der Steuerung ausschließlich für industrielle Anwendungen verwendet, bei denen der Druckverlust am Vormisch-lnjektor 2 kein Problem darstellt, da dort der Luftzuführdruck und der Brennstoff-Zufuhrdruck jeweils mehrere 100 mm Wassersäule übersteigt, um das Luft/Brennstoffverhältnis konstant zu halten.

In Wohnhäusern galt eine Steuerung des Luftüberschußverhältnisses als unmöglich, da dort so hohe Drücke nicht verfügbar sind. Die Erfindung gestattet eine solche Steuerung auch für die Niederdruckverhältnisse im häuslichen Bereich.

F i g. 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt des Vormisch-Injektors 2. Die Verbrennungsluft fließt durch den Lufteinlaßabschnitt 8 unter Druckverminderung im Düsenabschnitt 10 zu dem Auslaßabschnitt 11. Der Druckunterschied zwischen dem Lufteinlaßabschnitt 8 und dem Düsenabschnitt 10 wird durch die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt, mit der die Luft durch die zwischen der Brennstoffdüse 12 und dem Düsenabschnitt 10 gebildete ringförmige Öffnung tritt. Die Druckdifferenz ist in Fig. 3 gezeigt. Dabei ist:

45 PUi-Pn = ka (Vc)² = Ka (Qc)² (1)

Pai: Druck im Lufteinlaßabschnitt 8 Pn: Druck im Düsenabschnitt 10 Vc: Lufteinlaßgeschwindigkeit so Qc: Luftmenge.

Ka ist eine durch Größe und Form des Verengungsabschnitts 9 und des Düsenabschnitts 10 bestimmte Konstante. Der Druck Pn im Düsenabschnitt 10 ist nicht der Druck auf die Wand des Düsenabschnitts 10, sondern der effektive Druck auf die zur Einlaßfläche des Düsenabschnitts 10 geöffnete Brennstoffdüse 12.

Die Flußrate des Brennstoffs ist durch den Druck Pgo im Auslaßabschnitt 19 des Durchfluß-Regelventils 5 und den Druck Pn im Düsenabschnitt 10 bestimmt. Diese Beziehung wird durch Gleichung (2) beschrieben:

Qg = Kg VPgo-Pn (2)

wobei Qg die Brennstoffflußrate bedeutet.

Kg ist eine durch Größe und Form des Absperrventils 6 und der Düse 13 in der Brennstoffzuleitung 7 sowie durch das spezifische Gewicht des Brennstoffs bestimmte Konstante.

In Brennern ist das als das Verhältnis der Luftmenge zu theoretisch nötigen Luftmenge definierte Luftüberschußverhältnis problematisch. Es gilt die folgende Beziehung:

wobei Mdas Luftüberschußverhältnis und q die theoretische Luftmenge pro Einheitsflußmenge des Brennstoffs darstellen.
Einsetzen der Gleichungen (1) und (2) in Gleichung (3) ergibt:

]/t

Q ■ Qg q-Kg VPgo-Pn q ■ Kg VKa * Pg₀ - Pn

Pgo-On

wnhpi 10

IC = ^_

KgVKa"

Die Beziehung zwischen dem Druck Pgo im Auslaßabschnitt 19 des Durchfluß-Regelventils 5 und dem Druck Pai im Lufteinlaßabschnitt 8 des Vormischinjektors 2 beschreibt die folgende Gleichung:

Pgo = Pai +AP (5)

Dies zeigt, daß ein Unterschied von A /»zwischen Pgo und Pai existiert. Einsetzen der Gleichung (5) in Gleichung (4) ergibt:

Pgo-Pn V Pai-Pn+P

γ p_ai-p„ V P' D j D

Pai - Pn

Wenn der Brennstoff-Auslaßdruck Pgo gleich dem Luft-Einlaßdruck Pai ist, so daß A /»Null wird, ist das Luftüberschußverhältnis unabhängig von der Flußrate und wird durch die wählbare Größe und Form der Bauelemente bestimmt
Das DuTchfluß-Regelventil 5 steuert das Ausmaß der Öffnung des Ventils 15,16, so daß A Pin Gleichung (5)

Null sein !kann. Da der Brennstoffdruck und der Luftdruck im Lufteinlaßabschnitt 8 auf die Hauptmembran 20 ι wirken, wird bei Vergrößerung des Brennstoffdrucks die Hauptmembran 20 zum Schließen des Ventilkörpers 16 ', betätigt, während sie bei Ansteigen des Luftdrucks zum Öffnen des Ventilkörpers 16 betätigt wird. Somit bewirkt jede derartige Druckänderung einen Ausgleich des Druckunterschieds. Im folgenden wird A Pin Gleichung 5, das nicht wirklich gleich Null gesetzt werden kann, unter Bezugnahme

auf die Fig. 4 und 5 näher behandelt.

Fig. 4 zeigt das Verhältnis zwischen dem im Vormisch-Injektor 2 erzeugten, effektiven Druckunterschied Pai - Pn uiGid einem A /»für bestimmte Luftüberschußverhältnisse M, die 10% oder 20% größer bzw. kleiner sind als das Besoigs-Luftüberschußverhältnis Jf, bei dem AP{= Pgo-Pai) in Gleichung (5) Null ist Wie auch Gleichung (6) angibt, wird A /»umso größer, je größer der resultierende effektive Druckunterschied ist, was Unterschiede im Luftüberschußverhältnis mit sich bringt. Umgekehrt variiert für konstantes A P das Luftüberschußverhältnis umso mehr, je kleiner der resultierende effektive Druckunterschied ist. Fig. 5 zeigt, wie sehr das Luftüberschußverhältnis M in Abhängigkeit von dem Verhältnis von Pgo-Pai (d. h. AP) zu Pai -Pn von der Bezugsgröße abweicht. A /»sollte auf einen Wert justiert werden, der im Bereich von + 50% bis - 30% des Druckunterschiedes liegt, der zwischen dem Lufteinlaßabschnitt 8 des Vermisch-Injektors 2 und dem

Düsenabschnitt 10 liegt, basierend auf der Primärluftmenge bei geringster Zufuhr.

Zur Beschreibung der Gründe für das Auftreten von A /»soll der Unterschied zwischen dem Luftdruck in der Luftkammer 23 des Durchfluß-Regelventils 5 und dem Brennstoffdruck am Auslaßabschnitt 19 betrachtet werden. Zunächst hängt der Brennstoffzufuhrdruck für Gase davon ab, ob es sich um Erdgas oder LP-Gas handelt. Er unterscheidet sich auch je nach dem, ob der Druckabfall in der Zuführung einem großen oder einem geringe-

ren Gasbedkrf entspricht. Der tatsächliche Zuführungsdruck variiert um mehr als das 6fache im Verhältnis zum Unterschied in der Gasqualität Wie Fig. 1 zeigt, werden die Einflüsse des Zufuhrdrucks mittels einer Hilfs- '" membran 24 ausgeschaltet, die im wesentlichen dem gleichen effektiven Druck wie die Ventilöffnung 15 ausgesetzt ist, so daß zwischen der auf die Hilfsrnembran 24 einwirkenden Kraft zum Öffnen des Ventilkörpers 16 und der auf diesen in Schließrichtung wirkenden Kraft ein Gleichgewicht aufrechterhalten wird. sj

In der Praxis ist es jedoch schwierig, ein perfektes Gleichgewicht zu erreichen. Dies liegt beispielsweise daran, Jf daß sich bei gleicher Verbrennungsmenge Stadtgas und LP-Gas in der Flußrate um das 5- bis 6fache unterscheiden, so daß der Öffnungsgrad des Ventilkörpers 16 variiert Dadurch ändert sich die Arbeitsstellung der Hilfsmembran 24 und somit auch deren effektive Größe. Wird beispielsweise die Zufuhr auf V₃ eingestellt, ändert sich die Flußrate um das 15- bis 18fache, einschließlich des Einflusses unterschiedlicher Gasqualität Bei Gasdruck-Steuervorrichtungen ist bekannt, daß die Flußrate mit fallendem Auslaßdruck zunimmt, weil der Druckabfall in der Vorrichtung mit zunehmender Flußrate zunimmt und der effektive Durchmesser der Hauptmembran und die Federbelastung sich ändert, wenn die Hauptmembran in Öffnungsrichtung des Ventilkörpers bewegt wird. Dies zeigt die Linie A in F i g. 6. Selbst bei einer festen Druckeinstellung fällt so der Auslaßdruck, wenn die Flußrate zunimmt Das Durchfluß-Regelventil Sgemäß Fig. 1 wirkt dieser Tendenz entgegen,

so daß A /»abnimmt Die Membrankammer 22 wird nicht durch den Druck am Auslaßabschnitt 19, sondern durch den Druck in der Niederdruckzone 21 des Druckgefälleabschnitts beaufschlagt In Fig. 6 bezeichnet A den Druck in der Membrankammer 22, B den Druck in der Ventilkammer 17 und C den Druck am Auslaßabschnitt 19.

Durch das Anlegen eines gegenüber dem Druck C niedrigeren Drucks an die Membran 22 durch den Druckgefälleabschnitt 18, wird der Druck in der Ventilkammer 17 erhöht. Der Druckverlust im Druckgefalleabschnitt 18 wird durch B/C, der Druckunterschied zwischen der Niederdruckzone 21 und dem Auslaßabschnitt 19 durch C/A angegeben. In jedem Fall ist er eine Funktion der zweiten Potenz der Flußrate, so daß er mit Linie A als Bezugsgröße gemäß F i g. 6 verläuft. Bei Zunahme der Flußrate öffnet der Ventilkörper 16 und senkt den Druck C, was jedoch durch Anlegen eines gegenüber dem Druck C niedrigeren Drucks an die Membran kompensiert wird. Das Ausmaß dieser Kompensation hängt von den Charakteristiken des Druckgefälleabschnitts 18 ab, die entsprechend den Kurven α bis d in F i g. 7 nach Wunsch gewählt werden können. Zur Druckkompensation mit der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung ist das folgende Vorgehen besonders geeignet.

Wie anhand Fig. 4 beschrieben, ist der Fall am wichtigsten, wenn der resultierende effektive Druckunterschied am Vormisch-Injektor 2 klein ist. Dann ist die Luftmenge gering und daher die Flußrate des Brennstoffes niedrig. Bei der der geringsten Zufuhr entsprechenden Flußrate sollte Δ P minimal sein. In Wohnhäusern, wo meist die Gasqualität nicht vorher bestimmt werden kann, sollte ein Druckgefälleabschnitt vorgesehen werden, der Auslaßdruckänderungen bei Flußratenänderungen zwischen der LP-Gasflußrate und der Stadtgasflußrate, jeweils für niedrigste Zufuhr, kompensiert. Experimentell wurde gefunden, daß A P die folgenden Werte annimmt.

Angabe in mm Aq	Ohne Druckgefälle- abschnitt	Variations- - breite 1,5	Innendruck in der Niederdruckzone 21 des Druckgefalle abschnitts 18	Variations- - breite 1,0	0 8,25	Variations- - breite 0,7
		- 5,0	09	- 1,5	+ 0,5 ' ! -0,2 _	- 3,8
	+ 1,2 ■ -0,3 .	- 6,5	+ 0,5 " I -0,5 .	- 1,5	"0,2 ■ I + 3,6 .	- 3,8
Einfluß von Flußraten änderungen wegen eines Gasqualitätsunterschie des bei geringer Zufuhr	-0,3 ^- I -5,3 .		-0,7 " I + 0,8 _	-0,2 ■ 1 + 3,6 .
Einfluß der Flußraten änderungen wegen Zu fuhränderungen bei Ver wendung gleichbleiben der Gasqualität	+ 1,2 " i -5,3 _		-0,7" +0,8 _
Einfluß der Flußraten änderungen einschl. Zufuhränderung und Änderungen der Gas qualität

Die Zufuhr variiert um bis zu V₃. Bei diesem Versuch nimmt nicht nur A /»selbst ab, es werden auch die durch die Gasqualität bedingten Flußratenänderungen bei niedrigster Zufuhr verringert. Hinsichtlich der durch die Gasqualität bedingten Flußratenänderungen bei niedrigster Zufuhr erscheinen die Ergebnisse mit einem Durchmesser von 8,25 besser, da jedoch der Druckverlust des Durchfluß-Regelventils S und somit auch A Pmit fallendem Zuführdruck zunimmt, müssen für die häusliche Anwendung die beschriebenen Ursachen für das Auftreten von A P sorgfältig in Betracht gezogen werden. Weitere Ursachen für das Auftreten von A P sind beispielsweise Änderungen in dem durch die Einstellschraube eingestellten Druck und die temperaturabhängige Steifheit der Membran.

Die in Gleichung 5 angegebenen Hauptursachen für A P wurden beschrieben. Für das Durchfluß-Regelventil 5 ändert sich das Luftüberschußverhältnis innerhalb des in Fig. 5 gezeigten Bereichs. Wenn z. B. der Druckunterschied Pai - Pn für die Luftmenge bei geringster Zufuhr 5 mm Wassersäule und der erlaubte Bereich des LüftüberschüßverhäUnisses M von + 20% bis - 20% (je nach Brennerbedingungen) beträgt, muß A^zwischen -1,56 und +2,81 mm Wassersäule und vorzugsweise zwischen -1,5 und +1,5 mm Wassersäule liegen. Dieser Bereich von A P muß unter allen Umständen aufrechterhalten werden.

Daher kann AP größer werden, wenn der im Vormisch-Injektor 2 erzeugte Druckunterschied bei gleicher Luftmenge vergrößert wird. Jedoch bestehen auch in dieser Hinsicht Begrenzungen, da die Erhöhung des Druckunterschiedes Pai -Pn nur bei größeren Gebläsen und entsprechendem Anwachsen des Druckverlustes im Vormisch-Injektor realisiert werden kann, also bei insgesamt größerem Pai. In Hausgasleitungen ist jedoch der Zufuhrdruck begrenzt und fällt bei Stadtgas manchmal auf 50 mm Wassersäule ab. In mit der Außenluft kommunizierenden Luftzufuhr- und Gasauslaß-Öffnungen kann eine Windgeschwindigkeit von 20 m/sec einen internen Druckanstieg von 15 bis 20 mm Wassersäule verursachen. Da dieser interne Druckanstieg zu einem Zunehmen des absoluten Wertes von Pai führt, fällt der Gaszuführdruck um 15 bis 20 mm Wassersäule, so daß selbst bei voller Öffnung des Ventilkörpers 16 Pgo immer noch kleiner ist als Pai, die unzureichende Gasmenge also eine Zunahme des Luftüberschußverhältnisses verursacht Außer wenn das Gas von einem Druckverstärker oder einem Gasrohr mittleren Drucks wie beispielsweise bei Industrieanwendungen zugeführt wird, kann A P nicht ganz auf Null reduziert werden, selbst wennn ein großes Gebläse verwendet wird. Für Anwendungen in Wohnhäusern ist es wichtig, den effektiven Druckunterschied Pai—Pn anzuheben, ohne daß der Druck Pai im Lufteinlaßabschnitt 8 des Vormisch-Injektors 2 zunimmt, was die Erfindung ermöglicht

Der Vormisch-Injektor 2 ist in Fig. 2 gezeigt. Da die Luftströmungsrichtung vektoriell mit der Richtung des

Brennstoffflusses übereinstimmt, können kaum Störungen durch Wechselwirkungen zwischen den beiden Fluiden auftreten, so daß der Verlust an kinetischer Energie gegenüber einem industriellen Venturi-Mischer mit zur Gasströmungsrichtung senkrechter Luftströmungsrichtung verringert werden kann. Dies ist vorteilhaft,

S wenn die Vermischung in einem verlustbehafteten Abschnitt, beispielsweise im Düsenabschnitt 10 erfolgt.

Ist der Innendurchmesser D des Düsenabschnitts 10 konstant, wird die Beziehung zwischen seiner Länge It, dem Außendurchmesser d der Brennstoffdüse 12 und dem Druckverlust durch die folgende Gleichung beschrieben:

Ploss => Pai - Pao (7)

in der Pao den Druck in der direkt den Auslaßabschnitt 11 verlassenden Luft und Ploss den Druckverlust am Vormisch-Injektor 2 darstellen.
Die Fig. 8 A und 8 B zeigen die Beziehung zwischen dem Druckverlust und der eingeblasenen Gasmenge,

is wenn eine konstante Luftmenge fließt, während die Gaszufuhr durch die Brennstoffdüse 12 allmählich vergrößert wird. Wenn kein Gas eingeführt wird, ist der Druckverlust klein. Ein Versuch mit gegenüber der Luftzuführungsrate niedrigerer Gaszuführungsrate zeigte, daß der Druckverlust mit ansteigender Gasmenge zum Ansteigen tendiert. Ist d/D groß und somit die Luftzuführungsfläche klein, sind der Druckverlust sowie die gasmengenabhängigen Änderungen groß. Der Druckverlust ändert sich natürlich mit It/D, und die Tendenz zur gasmengen-

abhängigen Änderung ändert sich ebenfalls. Der dem Vormisch-Injektor 2 zugeordnete Druckwirkungsgrad η,

(Pai - Pn) - Ploss _ Pao - Pn .„.

Pai-Pn Pai - Pn

soll so hoch wie möglich sein. Die in Fig. 9 dargestellten Versuchsergebnisse zeigen, daß der Druckwirkuugigrad ι/ zunimmt, wenn d/D abnimmt. Hinsichtlich des Punktes an dem der Druckwirkungsgrad 17 bezüglich t/D am höchsten ist, nimmt It/D mit d/D zu. Fig. 9 zeigt ähnlich wie Fig. 8 die Ergebnisse eines Versuches zur Bestimmung des tatsächlichen effektiven Pai-Pn bei entsprechenden eingeblasenen Gasmengen, die daraus und den zugehörigen Druckverlusten berechneten Druckwirkungsgradkurven. Gezeigt sind die Punkte, bei denen der Druckwirkungsgrad am niedrigsten liegt. Für kleine Werte von d/D ist der Druckwirkungsgrad η hoch und It/D kann verringert werden, was von Vorteil ist. Jeodch kann bei Anwendung in Wohnhäusern Pai aus den oben erwähnten Gründen nicht sehr groß gewählt werden, so daß Pgo ebenfalls niedrig ist. Daher kann, um zumindest die erforderliche Brennstoffflußrate zu gewährleisten, d nicht so klein gemacht werden. Weiterhin zeigt F i g. 10 Konzentrationsverteilungen von Luft und Gas, die durch die Auslaßfläche des Auslaßabschnitts 11 des Vormisch-Injektors 2 treten, wobei d/D bei gegebenem It/D als Parameter dient. Im Ergebnis wird die Konzentrationsverteilung immer gleichmäßiger, je größer d/D ist.

Bei dem Brenner 3 ist wünschenswert, daß das Luftüberschußverhältnis in dem vorbestimmten Bereich liegt und für jedes Flammloch gesteuert wird. Zusätzlich zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit in der Konzentrationsverteilung zwischen dem Vormisch-Injektor 2 und dem Brenner 3 sollte diese auch am Vormisch-Injektor 2 selbst verbessert werden. Experimentell wurde gefunden, daß Werte von It/D zwischen 0,5 und 3 und d/D zwischen 0,3 und 0,5 hinsichtlich des Druckwirkungsgrades und der Konzentrationsverteilung optimal sind.

Für verschiedene Abstände In zwischen dem vorderen Ende der Brennstoffdüse 12 und der Einlaßfläche des Düsenabschnitts 10 sind die resultierenden Druckverluste und resultierenden effektiven Druckunterschiede in Fig. 11 gezeigt Bei einer Zunahme des Abstandes In tendiert der resultierende effektive Druckunterschied zur Abnahme, wobei bei Abständen In von mehr als 25% des Innendurchmessers des Düsenabschnitts 10 der Abfall groß wird. Wenn das vordere Ende der Brennstoffdüse 12 in den über die Einlaßfläche hinaus in den Düsenabschnitt 10 eintritt, sinkt bei unverändertem Luftzufuhrbereich der resultierende effektive Druckunterschied nicht, sondern nimmt um einen der Reibung entsprechenden Betrag zu. Jedoch beginnt sich der Druckwirkungsgrad 1; zu verringern.

Daher ist es vorzuziehen, daß zur Erzielung eines vorbestimmten effektiven Druckunterschieds und eines hohen Druckwirkungsgrads r, das vordere Ende der Brennstoffdüse 12 um das 0,25fäehe des Durchmessers des Düsenabschuitts 10 entfernt vor oder hinter dessen Einlaßfläche liegt. Für den Auslaßabschnitt 11 verursacht bekanntlich ein Aufweitungswinkel von etwa 8° den minimalen Druckabfall.

Der Vormisch-Injektor 2 ist unter Berücksichtigung der obigen Faktoren so ausgestaltet, daß ein großer effektiver Druckunterschied erhalten wird, während der Druckverlust abnimmt Dadurch kann das Luftüberschußverhältnis selbst bei niedrigem Gasdruck gesteuert werden. Bei Verbrennung von Gas kann sich die Flußrate des Brennstoffes zwar selbst bei gleicher Zufuhr ändern; dann kann aber die in Gleichung 2 angegebene Konstante Kg durch einfaches Austauschen der Düse 13 geändert werden. Das Durchfluß-Regelventil 5 und der Vormisch-Injektor 2 brauchen nicht geändert zu werden, selbst wenn die Gasqualität sich ändert. Wenn auf der Brennstoffseite ein Absperrventil vorgesehen wird, sollte dies gemäß Fig. 1 zwischen dem Durchfluß-Regelventil 5 und dem Vormisch-Injektor 2 angeordnet werden, da bei niedrigem Gasdruck bei häuslicher Anwendung der Zufuhrdruck zum Durchfluß-Regelventil 5 höher als Pai sein muß, um Δ P annähernd gleich Null zu halten. Hierzu muß der Druckverlust oberhalb des Durchfluß-Regelventils 5 soweit wie möglich reduziert werden. Das Solenoid-Absperrventil ist mit einem Druckverlust von einigen mm bis zu einigen zehn mm Wassersäule behaftet und somit der wichtigste Beitrag zur Konstante Kg in Gleichung (2). Daher ist die in F i g. 1 gezeigte Anordnung sehr effektiv, um Änderungen des Luftüberschuß-Verhältnisses bei Absinken des Gasdrucks zu verringern.

Wenn der Druckverlust am Solenoid-Absperrventil beispielsweise 10 mm Wassersäule beträgt, ist der Gasdruck zu berechnen, der ein 20prozentiges Luftüberschußverhältnis relativ zum Luftüberschußverhältnis bei einem Gasdruck von 100 mm Wassersäule erzeugt. Bei einem Druck von 60 mm Wassersäule in Strömungsrichtung vor dem Durchfluß-Regelventil 5 kann die Steuervorrichtung gemäß Fig. 1 einen Gasdmckabfall um bis zur SO mm Wassersäule ausgleichen. s

Da die Flußrate des Brennstoffes in Verbindung mit der Luftmenge fur die Verbrennung geregelt wird, kann die Leistung einfach durch Steuerung der Luftmenge vom Gebläse 1 eingestellt werden.

In F i g. 1 wird die Luft als Primärluft zugeführt; ist Sekundärluft erforderlich, kann sie von der Luftzuleitung 4 über einen Abzweig direkt dem Brenner 3 zugeführt werden. In diesem Fall kann das Verhältnis zwischen Primärluft, Sekundärluft und Brennstoffflußrate konstant gehalten werden, da das Verhältnis zwischen der Primär- io luft und der Sekundärluft vorgegeben werden kann.

Demgemäß kann selbst bei Änderungen in der Luftzuführung, dem Brennstoffzufuhrdruck und dem Außenwinddruck das Luftüberschuß-Verhältnis im wesentlichen konstant gehalten und eine vollständige Verbrennung gewährleistet werden. Darüber hinaus wird eine Verringerung des Wirkungsgrades bei geringer Zufuhr vermieden. ₁₅

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Steuervorrichtung für einen Brenner, mit einer Luftzuleitung, einer Brennstoffzuleitung, und einem in dieser angeordneten Durchfluß-Regelventil mit einer durch einen Ventilkörper absperrbaren Ventilöflhung, einer mit dem Ventilkörper verbundenen Membran und einer an diese angrenzenden, über eine Verbindungsleitung mit der Luftzuleitung kommunizierenden Luftkammer, dadurch gekennzeichnet, daß: