DE4428097A1 - Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes sowie Heizgerät zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes sowie Heizgerät zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines
Heizgerätes nach der Gattung des Hauptanspruchs sowie ein
Heizgerät zur Durchführung des Verfahrens. Es sind bereits
Heizgeräte bekannt, die zur NOx-Reduzierung die Flamme
kühlende Mittel aufweisen. Derartig gängige Mittel oder
Maßnahmen sind beispielsweise ein oder mehrere in die
Flamme eingebrachte Flammenkühlstäbe, Brenner mit
wassergekühlter Brennerplatte, Infrarotstrahlungsbrenner
mit glühenden Brennerplatten und ähnliches. Diesen Mitteln
ist gemeinsam, daß der Flamme Energie entzogen wird und
die Flammentemperatur dadurch sinkt. Mit sinkender
Flammentemperatur nimmt auch die NOx-Bildung ab.
Nachteilig an derartigen Maßnahmen ist, daß die
Effektivität in der NOx-Reduzierung mit steigender
Leistung abnimmt und auch eine Modulation über einen
größeren Leistungsbereich nur unbefriedigend gewährleistet
ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des
Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß durch das
Zusammenwirken zwischen Brennerkopf und Brennkammerwand
bei hohen Ausströmgeschwindigkeiten, bezogen auf die
Flammengeschwindigkeit ( Ausbreitungsgeschwindigkeit der
Flamme im vorhandenen Gemisch ) des Brennstoff-
Luftgemisches, eine stabile Flamme im Abstand vom
Brennerkopf bis nahe an die Brennkammerwand ausgebildet
wird. Die Brennkammerwand wirkt dabei einerseits
stabilisierend auf die Flamme und entzieht der Flamme
großflächig Energie, wodurch ein Absinken der
Flammentemperatur wirkungsvoll erreicht ist. Aufgrund der
Großflächigkeit dieses Flammenkühlmittels ist sowohl für
große Brennerleistungen als auch für große einstellbare
Brennerleistungsbereiche eine optimale Nox-Reduzierung
gewährleistet, da bei steigender Austrittsgeschwindigkeit
die Flamme intensiver mit der Brennkammerwand in Kontakt
tritt.
Als vorteilhaften Nebeneffekt wird aufgrund der hohen
Austrittsgeschwindigkeit eine hohe spezifische
Flächenleistung des Brenners erreicht. Daraus ergibt sich
ein kompakter Aufbau und eine, bezogen auf die mögliche
maximale Leistung verhältnismäßig kleine Größe der äußeren
Abmessungen des Heizgerätes.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale
sind weitere vorteilhafte Ausbildungen des Heizgerätes
nach dem Hauptanspruch möglich.
Die spezifische Flächenbelastung des Brenners kann
vergrößert werden, wenn die Austrittsgeschwindigkeit so
groß gewählt ist, daß eine stabile Flammenfront vom
Brenner abgelöst in der Brennkammer ausgebildet ist. Auf
diese Weise wird die Oberfläche der Flamme stark
vergrößert und aufgrund der damit verbundenen hohen
Energieabstrahlung die Flammentemperatur abgesenkt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die
Austrittsgeschwindigkeit so groß gewählt wird, daß das
noch nicht entflammte Brennstoff-Luftgemisch vor der
Brennkammerwand mindestens bis auf die
Flammgeschwindigkeit abgebremst wird und sich eine
Flammenfront in der Nähe der Brennkammerwand bildet. Diese
Maßnahme gewährleistet einerseits eine stabile Flamme
aufgrund gut beherrschbarer Strömungsverhältnisse und
andererseits einen optimalen Flammenkühlungsprozeß.
Wenn die Ausströmgeschwindigkeit des
Brennstoff-Luftgemisches so groß gewählt wird, daß sich in
der Nähe des Brennerkopfes eine Unterdruckzone und daran
angrenzend eine Verwirbelungszone ausbilden kann, ist
gewährleistet, daß sich aufgrund der Verwirbelungen eine
gleichmäßige Temperaturverteilung in der Brennkammer
ergibt und heiße, die NOx-Bildung fördernde Teilbereiche
nicht auftreten. Ferner bewirkt die Unterdruckzone ein
Ansaugen von heißen Gasen in die Flammenwurzel. Dadurch
wird das austretende Brennstoff-Luftgemisch erwärmt,
wodurch die Flammengeschwindigkeit steigt, so daß auch die
Ausströmgeschwindigkeit des Gemisches erhöht werden kann.
Mit diesem Effekt kann deshalb bei gleichbleibenden
äußeren Abmessungen die Brennerleistung weiter erhöht
werden.
Zum Betreiben eines Heizgerätes nach dem Verfahren ist es
vorteilhaft, wenn beim Start des Heizgerätes die
Ausströmgeschwindigkeit ungefähr gleich der oder etwas
größer als die Flammgeschwindigkeit ist, so daß der
Brenner sicher gezündet werden kann und erst nach
erfolgreicher Zündung der Flamme die
Ausströmgeschwindigkeit erhöht wird.
Die Ausströmgeschwindigkeit des Brennstoff/Luftgemisches
kann bevorzugt zwischen 0,5 und 15 m/sec liegen, wobei ein
äußerst stabiler und NOx-armer Betriebszustand mit
Ausströmgeschwindigkeiten zwischen 1 und 6 m/sec erreicht
wurde.
Ein erfindungsgemäßes Heizgerät weist bevorzugt eine den
Ausströmöffnungen gegenüberliegende Wand auf, gegen die
das Brennstoff-Luftgemisch strömt und abgebremst wird.
Dadurch wird erreicht, daß die sich aufgrund der hohen
Ausströmgeschwindigkeit vom Brennerkopf abgelöste Flamme
nicht gänzlich löst und ausgeblasen wird. Durch das
Aufprallen des Brennstoff-Luftgemisches, das bereits
teilweise verbrannt ist, entsteht ein Staudruck, der der
Strömung entgegen wirkt, so daß, durch die
Ausströmgeschwindigkeit steuerbar, die Flamme die
Brennkammerwand gerade erreicht, beziehungsweise bei hoher
Ausströmgeschwindigkeit ganz an der Brennkammerwand zur
Anlage gelangt. Auf diese Weise ist eine optimale NOx-
Reduzierung auch bei hohen Leistungsdichten erreichbar.
Um eine optimale Verbrennung zu erreichen, ist es
vorteilhaft, die Länge der Brennkammer in Abhängigkeit vom
Abstand zwischen der Oberfläche des Brennerkopfes und der
Brennkammerwand derart zu wählen, daß bei kleinerem
Abstand die Brennkammer länger ist als bei größerem
Abstand. Auf diese Weise ist erreicht, daß dem Brennstoff-
Luftgemisch genügend Zeit beziehungsweise Wegstrecke
verbleibt, um vollständig zu verbrennen.
Ein äußerst kompakter Aufbau ergibt sich, wenn der
Brennerkopf zylindrisch ist und von der Brennkammer
konzentrisch umgeben ist.
Ferner ist es besonders vorteilhaft, wenn die
Brennkammerwand gekühlt ist. Diese Maßnahme ist für sich
zwar bekannt, jedoch erst in Verbindung mit der an die
Brennkammerwand heranführbaren Flamme und dem direkten
Kontakt von Flamme und Brennkammerwand ergibt sich eine
äußerst wirkungsvolle NOx-Reduzierung bis in sehr große
Leistungsbereiche.
Bei einer vorteilhaften Ausführung ist der Brennerkopf aus
kreisringförmigen Scheiben zusammengesetzt, zwischen denen
die Ausströmöffnungen ebenfalls kreisringförmig
ausgebildet sind. Das stirnseitige Ende des Brennerkopfes
ist mindestens annähernd senkrecht zur Achse des
Brennerkopfes. Dadurch ergibt sich ein Aufprallen der vom
Gebläse geförderten Gemischströmung an der Stirnseite, was
zu einem lokalen Überdruck führt und somit das Gemisch
entsprechend stärker durch die Ausströmöffnungen preßt.
Durch diese Maßnahme kann die axiale Ausdehnung des
Brennerkopfes klein gehalten werden.
Ist der Abstand zwischen dem stirnseitigen Ende des
Brennerkopfes und der dem stirnseitigen Ende
gegenüberliegenden Brennkammerwand klein, bezogen auf die
Ausdehnung des stirnseitigen Endes bei radialer
Ausströmrichtung des Brennstoff-Luftgemisches, wird in
diesem Bereich ein Unterdruck erzeugt, der bewirkt, daß
die Flammen an den oberen Bereich der Brennkammerwand
herangezogen werden.
Schließt sich an die Verwirbelungszone eine
Nachreaktionszone an, die sich vorteilhaft durch einen die
Brennkammer begrenzenden Wärmeübertrager begrenzen läßt,
so ist ein vollständiges Verbrennen des
Brennstoff-Luftgemisches unter niedrigerer Temperatur
möglich, wodurch der CO-Gehalt verringert wird, ohne daß
dadurch der NOx-Gehalt des Abgases steigt.
In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Heizgerät
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter
Angabe weiterer Vorteile näher erläutert. Es zeigen
Fig.
1 schematisch ein Heizgerät im Schnitt und Fig. 2 ein
Diagramm der NOx-Emission in Abhängigkeit von der
spezifischen Volumenbelastung und der Luftzahl Lambda.
Fig. 1 zeigt einen Teil eines Heizgerätes 10 mit einem in
einer Brennkammer 12 angeordneten Brenner 14 mit einem
Gebläse 16, einem von einem insbesondere keramischen
Isolationskörper 19 umgebenen Brennerrohr 18 und einem
Brennerkopf 20. Das Brennerrohr 18 ist zylindrisch
ausgebildet und konzentrisch von der ebenfalls zylindrisch
ausgebildeten Brennkammer 12 umgeben. Zwischen Brennerrohr
18 und Brennkammer 12 ist ein Brennraum 22 gebildet, der
von einem ringförmig um das Brennerrohr 18 gewundenen
wendelförmigen Wärmeübertrager 24 abgeschlossen ist.
Die Brennkammer 12 ist topfförmig ausgebildet und mit
ihrem offenen Ende teilweise über den Brenner 12 und den
Wärmeübertrager 24 gestülpt. Die untenliegende Öffnung ist
durch ein kreisringförmiges Luftleitblech 26
abgeschlossen, das auf eine Seite schräg abfällt und das
an dieser Seite einen Abgasabzug 28 aufnimmt.
Der Wärmeübertrager 24 weist ein Einlaßrohr 30 und ein
Auslaßrohr 32 auf. Über einen Krümmer 34 ist das
Auslaßrohr 32 mit einem kaum 36 verbunden, der sich
entlang der Brennkammer 12 erstreckt. Dadurch ist die den
Brennraum 22 umgebende Brennkammerwand 38 auf ihrer dem
Brennraum 22 abgewandten Seite von dem zu erwärmenden
Fluid umspült. Am oberen Ende weist der Raum 36 zentral
einen Auslaß 40 auf.
Beim Betrieb wird dem Heizgerät durch das Gebläse 16 ein
homogen vermischtes Brennstoff-Luftgemisch zugeführt, das
durch das Brennerrohr 18 in den Brennerkopf 20 gelangt.
Der Brennerkopf 20 weist an seinem stirnseitigen Ende eine
senkrecht zur Achse des Brennerkopfs 20 stehende
Prallplatte 42 auf, gegen die das Brennstoff-Luftgemisch
strömt, wodurch ein Staudruck entsteht. Ferner weist der
Brennerkopf 20 kreisförmige, radial angeordnete
Ausströmöffnungen 44 auf, durch die, durch den Staudruck
verstärkt, das Brennstoff-Luftgemisch in den Brennraum 22
strömt.
Beim Zünden des Heizgerätes 10 wird mittels des Gebläses
16 das Brennstoff-Luftgemisch derart zugeführt, daß die
Austrittsgeschwindigkeit aus dem Brennerkopf ungefähr
gleich der oder etwas größer als die
Flammengeschwindigkeit des Brennstoff-Luftgemisches ist.
Ein Methan-Luftgemisch beispielsweise weist eine
Flammgeschwindigkeit von ca. 0,4 m/sec auf. Die Flamme
wird durch eine nicht dargestellte Zündvorrichtung
gezündet und sitzt mit ihrem Flammenfuß in bekannter Weise
auf dem Brennerkopf auf.
Zum Betreiben des Heizgerätes 10 wird durch das Gebläse 16
die Ausströmgeschwindigkeit des Brennstoff-Luftgemisches
erhöht. Die Flamme wird dadurch größer und hebt mit ihrem
Flammenfuß vom Brennerkopf 20 ab. Durch die den
Austrittsöffnungen 44 gegenüberliegende Brennkammerwand 38
wird die Gemischströmung abgebremst und in den Brennraum
22 hinein umgelenkt. Auf diese Weise ist verhindert, daß
sich die Flamme gänzlich vom Brennerkopf 20 löst und
"ausgeblasen" wird. Die Flamme erstreckt sich in diesem
Betriebszustand losgelöst vom Brennerkopf 20 bis nahe an
die Brennkammerwand 44.
Durch die ausgedehnte Flamme einerseits und die
großflächige Kühlung der Flamme an der Brennkammerwand 38
andererseits wird eine erhebliche NOx-Reduzierung
gegenüber herkömmlichen Heizgeräten erzielt.
Die erhöhte Ausströmgeschwindigkeit des Brennstoff-
Luftgemisches bewirkt, daß sich in der Nähe des
Brennerkopfes 20 eine Unterdruckzone 46 ausbildet, so daß
ganz oder teilweise verbranntes Brennstoff-Luftgemisch aus
dem Brennraum 22 wieder angesaugt wird. Hieraus ergeben
sich zwei so nicht vorhersehbare Effekte:
- 1. In Kombination mit der Umlenkung der Gasströmung an der Brennkammerwand 38 und dem Ansaugen durch die Unterdruckzone 46 wird eine Wirbelzone 48 ausgebildet, in der eine turbulente Strömung vorherrscht. Dadurch wird das Gasgemenge gleichmäßig und homogen vermischt, so daß eine gleichmäßige Temperaturverteilung in diesem Bereich erreicht wird. Heiße Stellen, die zu erhöhtem NOx führen, sind vermieden.
- 2. Das direkt aus dem Brennerkopf ausströmende Brennstoff- Luftgemisch wird durch die aus dem Brennraum 22 zugeführte Gasmenge erwärmt, wodurch die Flammgeschwindigkeit steigt, so daß auch die Austrittsgeschwindigkeit des Brennstoff-Luftgemisches aus dem Brennerkopf 20 erhöht werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, die spezifische Volumenleistung des Heizgerätes zu steigern. Außerdem wird bewirkt, daß sich die Flamme stärker an die Brennkammerwand 38 anlehnt und dadurch großflächiger gekühlt und die NOx-Emission reduziert wird.
In Strömungsrichtung gesehen hinter der Unterdruck- und
Verwirbelungszone, oberhalb des Wärmeübertragers 24 bildet
sich eine Nachreaktionszone 50 aus, in der eine niedrigere
Temperatur als in der Unterdruck- und Verwirbelungszone
vorherrscht, so daß kein NOx gebildet, aber das noch
vorhandene CO zu CO₂ verbrannt wird.
Die Austrittsgeschwindigkeit des Brennstoff-Luftgemisches
aus dem Brennerkopf 20 kann zwischen 0,5 und ca. 15 m/sec
variieren, wobei insbesondere bei hohen
Ausströmgeschwindigkeiten Instabilitäten auftreten können,
so daß Ausströmgeschwindigkeiten zwischen 1 und 6 m/sec zu
bevorzugen sind. Der Abstand der Oberfläche des
Brennerkopfes zur Brennkammerwand 38 variiert in diesen
Fällen zwischen 20 und 200 mm, wobei auch hier für den
bevorzugten Bereich der Austrittsgeschwindigkeit Abstände
zwischen 40 und 120 mm vorteilhaft sind.
Die Länge der Brennkammer ist in Abhängigkeit vom Abstand
des Brennerkopfes 20 zur Brennkammerwand 38 zu wählen.
Hier ist zu beachten, daß das zugeführte Brennstoff-
Luftgemisch vollständig in der Brennkammer 22 verbrannt
werden muß und daß deshalb bei vorgegebenen
Geschwindigkeiten die Länge des im Mittel zurückgelegten
Weges des Brennstoff-Luftgemisches eine bestimmte Größe
aufweisen muß. Wird aus strömungs- oder
verbrennungstechnischen Gründen der Abstand zwischen
Brennerkopf 20 und Brennkammerwand 38 kürzer gewählt, muß
die Länge der Brennkammer 22 entsprechend vergrößert
werden.
Zur Erhöhung der Kühlwirkung der Brennkammer wird der
Brennerkopf 20 mit, seiner Prallplatte 42 sehr dicht an die
der Prallplatte 42 gegenüberliegende Brennkammerwand 38
angeordnet. Durch die erhöhte Austrittsgeschwindigkeit aus
dem Brennerkopf 20 wird im Raum zwischen der Prallplatte
42 und der Brennkammerwand 38 ein erheblicher Unterdruck
erzeugt, wodurch das ausströmende Brennstoff-Luftgemisch
in Richtung der oberen Brennkammerwand gelenkt wird, so
daß die Flamme stärker der kühlenden Wirkung der
Brennkammerwand 38 ausgesetzt ist. Der Brennerkopf 20 ist
dazu aus kreisringförmigen Scheiben zusammengesetzt,
zwischen denen die Ausströmöffnungen 42 ebenfalls
kreisringförmig ausgebildet sind. Auf diese Weise ist ein
kostengünstiger Brennerkopf 20 mit symmetrisch
austretendem Brennstoff-Luftgemisch aufgebaut.
Das Heizgerät 10 zeichnet sich auch dadurch aus, daß, wie
Fig. 2 zeigt, die NOx-Emission mit steigender Leistung
bei vorgegebenem Volumen sinkt. Das heißt, bei einem
vorgegebenen Heizgerät 10 sinkt die Emission von NOx, wenn
die Austrittsgeschwindigkeit erhöht wird. Eine weitere
Verminderung der NOx-Reduktion kann durch Erhöhen der
Luftzahl λ erreicht werden.
Claims (15)
1. Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes mit einem
einer Brennkammer angeordneten, ein Brennstoff-Luftgemisch
verteilenden Brennerkopf und einem das insbesondere
vorgemischte Brennstoff-Luftgemisch fördernden Gebläse,
dadurch gekennzeichnet, daß zur NOx-Reduzierung während
des Betriebs die Ausströmgeschwindigkeit des Brennstoff-
Luftgemisches aus dem Brennerkopf (20) größer einstellbar
ist als die Flammgeschwindigkeit des Brennnstoff-
Luftgemisches, derart, daß sich eine stabile Flamme im
Abstand vom Brennerkopf (20) bis nahe an die
Brennkammerwand (38) erstreckt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Austrittsgeschwindigkeit so groß ist, daß eine stabile
Flammenfront vom Brenner (14) abgelöst in der Brennkammer
(12) ausgebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Austrittsgeschwindigkeit so groß
ist, daß das noch nicht entflammte Brennstoff-Luftgemisch
vor der Brennkammerwand (38) mindestens bis auf die
Flammgeschwindigkeit abgebremst wird und sich eine
Flammmenfront in der Nähe der Brennkammerwand (38) bildet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ausströmgeschwindigkeit des
Brennstoff-Luftgemisches so groß ist, daß in der Nähe des
Brennerkopfes (20) eine Unterdruckzone (46) und daran
angrenzend eine Verwirbelungszone (48) ausgebildet werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ausströmgeschwindigkeit
zwischen 0,5 und 15 m/s, insbesondere zwischen 1 und 6
m/s, liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
beim Start des Heizgerätes (10) die
Ausströmgeschwindigkeit ungefähr gleich der
Flammgeschwindigkeit ist und nach erfolgreicher Zündung
der Flamme die Ausströmgeschwindigkeit erhöht wird.
7. Heizgerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
den Ausströmöffnungen in Ausströmrichtung eine Wand (38)
der Brennkammer (12) gegenüberliegt, gegen die das
Brennstoff-Luftgemisch strömt und vor der das Brennstoff-
Luftgemisch soweit abgebremst wird, daß sich eine stabile
Flamme ausbildet.
8. Heizgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Länge der Brennkammer (12) abhängig ist vom Abstand
zwischen der Oberfläche des Brennerkopfes (20) und der
Brennkammerwand (38) derart, daß bei kleinerem Abstand die
Brennkammer (12) länger ist als bei größerem Abstand.
9. Heizgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
der Abstand der Oberfläche des Brennerkopfes (20) zur
Brennkammerwand (38) zwischen 20 und 200 mm, insbesondere
zwischen 40 und 120 mm liegt.
10. Heizgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der Brennerkopf (20) zylindrisch ist
und von der Brennkammer (12) konzentrisch umgeben ist.
11. Heizgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Brennkammerwand (38) gekühlt ist.
12. Heizgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß der Brennerkopf (20) aus
kreisringförmigen Scheiben zusammengesetzt ist, zwischen
denen die Ausströmöffnungen ebenfalls kreisringförmig
ausgebildet sind.
13. Heizgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß das stirnseitige Ende des
Brennerkopfes (20) mindestens annähernd senkrecht zur
Achse des Brennerkopfes (20) ist.
14. Heizgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem stirnseitigen
Ende des Brennerkopfes (20) und der dem stirnseitigen Ende
gegenüberliegenden Brennkammerwand klein ist bezogen auf
die Ausdehnung des stirnseitigen Endes und daß die
Ausströmung des Brennstoff-Luftgemisches radial erfolgt.
15. Heizgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 14,
gekennzeichnet durch einen die Brennkammer begrenzenden
Wärmeübertrager (24), vor dem sich in Strömungsrichtung
eine Nachreaktionszone (50) mit geringerer Verwirbelung
ausbildet.
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