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Das
Gebiet der Erfindung ist das von Brennern für Mischungen aus Brenngas und
Verbrennungsluft, insbesondere mit Luftansaugung und teilweiser
Vormischung von Gas und Luft, wie insbesondere Brenner für Industrie-
oder Privatküchenherde.
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Auf
diesem Gebiet sind bereits Brenner des Typs bekannt, der ein Gehäuse, das
mit mindestens einem Flammenhalter-Mittel ausgestattet ist, das
mit Öffnungen
für das
Strömen
einer Mischung entzündeter
Gase durch sie hindurch versehen ist, um Hauptflammen zu bilden,
und ein System zum Versorgen mit der Mischung aus Brenngas und Verbrennungsluft,
das mit dem Flammenhalter-Mittel verbunden ist, umfasst. Diese völlig typischen
Brenner, wie diejenigen mit blauen kreisförmigen Flammen (oder Flammen
in Kronenform) mit Ansaugung von Luft aus der Atmosphäre und teilweiser
Vormischung, weisen verschiedene Nachteile auf, die insbesondere
damit zusammenhängen,
dass sie oft unzureichende Oberflächenleistung (insbesondere
bei professioneller Verwendung), und/oder Umweltverschmutzung (Ausstoß von umweltschädlichen
Gasen) bringen. Die Entwicklung der Nachfrage des Marktes führt einerseits
dazu, die Höchstleistung
dieser Brenner erhöhen
zu wollen, wobei ihre Abmessungen beibehalten werden, das heißt das Verhältnis Leistung/Abmessungen,
und andererseits dazu, den Anwendungsbereich („Flexibilität" genannt) zu erweitern,
der das Verhältnis
von Höchstleistung
zur Mindestleistung ist, die der Brenner erbringt. In Anbetracht
der normativen Auflagen in Bezug auf Schadstoffemissionen (insbesondere
CO), der Auflagen bezüglich
der Betriebssicherheit und des augenblicklichen Stands der Technik
wird es schwierig, die Leistungsdichte bei einer gegebenen Abmessung
(zum Beispiel dem Durchmesser) zu erhöhen.
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In
WO-A-98 30838 ist eine Weiterentwicklung dieses Brennertyps offenbart,
die darin besteht, dass der Brenner außerdem Verbrennungshilfsmittel umfasst,
um einen Gasstrom im Wesentlichen in Richtung der Hauptflammen zu
lenken, mit deren entzündeten
Gasen sich dieser mischt, um Sekundärflammen zu bilden, die sich
zwischen den Hauptflammen oder hinter diesen entwickeln, sodass
er dem Flammenhalter-Mittel eine erhöhte Leistung zuführt, mit
dem die Verbrennungshilfsmittel zusammenwirken.
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Diese
Verbindung von zwei Mitteln zum Erzeugen von Wärme ist einfach umzusetzen
und ermöglicht
einen Zugewinn an Leistung im Bereich der Mischung der Haupt- und
Sekundärflammen.
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Die
Erfindung zielt jedoch auf eine Leistungsdichte im Bereich der Hauptflammen
des Brenners ab, die derjenigen, die von einem Brenner, wie er in WO-A-98
30838 offenbart ist, erheblich überlegen
ist, indem sie zwei unterschiedliche Verbrennungsmittel verbindet,
durch die eine Gasmischung austritt.
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Sie
zielt außerdem
darauf ab, eine einfache, zuverlässige,
praktische und kostengünstige
Lösung vorzuschlagen.
Hierzu schlägt
sie vor, dass die Verbrennungshilfsmittel mindestens eine Düse umfassen,
die mit einer Quelle im Wesentlichen reinen Brenngases verbunden
ist, die einen turbulenten, im Wesentlichen reinen Strahl des Gases
ausstößt, der die
Sekundärflammen
erzeugt.
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Der
auf diese Weise in der unmittelbaren Umgebung der Hauptflammen erzeugte
turbulente Strahl ermöglicht
eine verbesserte Verbrennung infolge seiner Geschwindigkeit, die
eine bessere Vermischung der Umgebungsluft erzeugt. Mit anderen Worten
stehen die Verbrennung der Sekundärflammen und die Verbrennung
der Mischung aus Brenngas und Verbrennungsluft in Wechselwirkung
miteinander, wodurch die Leistungsdichte erhöht werden kann, die von einem
Brenner für
Mischungen aus Brenngas und Verbrennungsluft bei einem gegebenen
Umweltverschmutzungsniveau bereitgestellt wird. Außerdem erhöht die Vermischung
der Luft den Koeffizienten des thermischen Übergangs an den zu erwärmenden
Empfänger
(einen Topf zum Beispiel).
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Um
die Zündung
der Verbrennungshilfsmittel zu optimieren, ist vorgesehen, dass
das System zur Versorgung des Brenners umfasst:
- – Mittel
zum Auslösen
des Beginns der Versorgung der Verbrennungshilfsmittel mit Brenngas nur
dann, wenn die Flammenhalter-Mittel auf Höchstleistung eingestellt sind,
und
- – Mittel
zum Auslösen
des Endes der Versorgung der Verbrennungshilfsmittel mit Brenngas,
wenn die Leistung der Flammenhalter-Mittel erheblich unter diese
Höchstleistung
fällt.
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Somit
setzen sich die Verbrennungshilfsmittel nur dann in Betrieb, wenn
die Leistung des Hauptbrenners beeinträchtigt ist, sodass sie diesen
Brenner mit einem einzigen Stoß „hochtreiben", zum Beispiel, um
sehr schnell die Leistung unter einem Topf mit zu erwärmendem
Wasser zu erhöhen,
ohne dass die Größe des Brenners
erhöht
wird.
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Aus
Gründen,
die mit der Flexibilität
der Anwendung und der Einfachheit der Konzeption und der Herstellung
des Brenners zusammenhängen,
ist vorgesehen, dass die Flammenhalter-Mittel durch einen Verbrennungskopf
gebildet sind, der durch eine Quelle einer Mischung aus Brenngas
versorgt wird, dessen Leistung regelbar ist, wodurch die Hauptflammen
somit anpassungsfähig
sind und sich auf dem Umfang dieses Kopfes entwickeln, im Bereich
der Durchgangsöffnungen
für die
entzündeten
Gase, und dass die Verbrennungshilfsmittel eine Ein-Aus-Regelung
aufweisen (offen geschlossen).
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Insbesondere
für eine
bessere Verteilung der Flammen weist der Verbrennungskopf vorzugsweise einen
kreisförmigen
Querschnitt auf und die Düsen sind
daher auf einem konzentrischen Kreis zum Verbrennungskopf angeordnet
und sind in einem von Null verschiedenen Winkel zur Vertikalen geneigt, wodurch
der Radius des Kreises und der Neigungswinkel somit so gewählt sind,
dass die Düsen
in Richtung des Endes der Hauptflammen zeigen, die aus dem Verbrennungskopf
hervortreten. Die Anzahl der Düsen
kann insbesondere vier betragen, die gleichmäßig auf einem Kreis verteilt
sind, und sie zeigen zu den Austrittsöffnungen des kreisförmigen Kopfes
des Brenners hin, genauer gesagt zum Ende der Hauptflammen, die
aus diesem Kopf hervortreten, sodass das reine Gas, das aus den
Düsen austritt,
zum Ende der Hauptflammen hin bewegt wird.
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Gemäß einer
Abänderung
der Ausführung kann
der Verbrennungskopf ringförmig
sein und Durchgangsöffnungen
für die
Gasmischung aufweisen, die so angepasst sind, dass die Hauptflammen sich
zur Mitte des Kopfes hin entwickeln, wobei die Düsen dann vorzugsweise im Inneren
dieses Rings angeordnet und zentrifugal angeordnet sind, in Richtung
der Hauptflammen, im Bereich ihres Endes. Dieser Aufbau verringert
die Größe des Brenners
weiter, da die Düsen
im Inneren des Kopfes angeordnet sind.
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Insbesondere
im Bemühen
um die Kompaktheit des Geräts
kann der Verbrennungskopf die Düsen
der Verbrennungshilfsmittel unmittelbar einbinden.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Brennen (wie einen
Herd) oder Erhitzen (Durchlauferhitzer), die mit einem Brenner mit
seinen Verbrennungshilfsmitteln versehen ist, wie er zuvor beschrieben
wurde.
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Die
Erfindung und ihre Anwendung werden anhand der folgenden Beschreibung
noch deutlicher, wobei Bezug auf die Zeichnungen genommen wird, in
denen
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1 eine
perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brenners ist,
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2 eine
Draufsicht des Brenners aus 1 ist,
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3 eine
Seitenansicht der 1 ist,
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4 eine
schematische Darstellung der Versorgung mit Gasmischung des Brenners
der vorhergehenden Figuren ist, und
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5 eine
Querschnittsansicht einer Abänderung
der Ausführung
von 1 ist.
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Wie
in 1 ersichtlich, betrifft die Erfindung einen Brenner 10 für Gasmischungen,
der ein Gehäuse 12 umfasst,
typischerweise aus Metall (zum Beispiel aus Aluminiumguss), auf
dem ein Flammenhalter-Mittel 14 in Form eines Verbrennungskopfes 15 angebracht
ist, der im Wesentlichen horizontal angeordnet ist, zum Beispiel
aus Messing, und mit einer Kappe 16 versehen ist. Dieser
Verbrennungskopf 15 ist hier zum Beispiel kreisförmig mit
einem Mittelpunkt A, wie deutlicher in 2 zu sehen
ist. Er ist auch von mehreren seitlichen Öffnungen 17 durchdrungen
(siehe 3), die so angepasst sind, dass sie das Durchströmen einer
Vormischung entzündeter
Gase (Erdgas und Luft) zur Bildung der Hauptflammen F (oder primären Flammen)
ermöglichen, die
sich in Form einer Krone um den Kopf herum entwickeln. Der Brenner 10 umfasst
auch ein Versorgungssystem 20, das insbesondere mit dem
Verbrennungskopf verbunden ist. Dieses ist im Folgenden mit Hilfe
von 4 ausführlich
beschrieben.
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Es
ist festzustellen, dass der Brenner 10 auch mit Verbrennungshilfsmitteln 30 (oder
sekundären
Mitteln) ausgestattet ist, die sich in Form einer oder mehrerer
Düsen 32 darstellen, die
vom Gehäuse
hervorstehen. Diese Düsen 32,
deren Anzahl beispielsweise vier betragen kann und die konzentrisch um
den Verbrennungskopf entlang eines Kreises mit dem Mittelpunkt A
und dem Radius R angeordnet sind, werden mit im Wesentlichen reinen
Brenngas versorgt, (mit anderen Worten, sie enthalten im Wesentlichen
nur Brenngas oder zumindest kein Verbrennungsgas) bei einem vorzugsweise
gleich bleibenden Druck. Sie sind von dem Verbrennungskopf 15 unabhängig und
funktionieren nach dem Ein-Aus-Prinzip, während der Verbrennungskopf
im Gegensatz dazu in seiner Leistung regelbar ist, sodass er anpassungsfähige Flammen
F erzeugt. Diese Düsen 32 wirken
eng mit dem Verbrennungskopf 15 zusammen, sodass sie eine örtlich begrenzte
erhöhte
Leistung zuführen
können,
wenn dies gewünscht
ist. Dazu sind die Düsen 32 vorgesehen,
um einen reinen Gasstrom auszusenden, der in Richtung der verbrennenden
Gase gelenkt ist, die die Flammen bilden, die aus dem Verbrennungskopf
hervortreten, und insbesondere in Richtung des Punktes H, an das
Ende der Hauptflammen (siehe 5).
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Es
ist zu beachten, dass die Düsen 32 geneigt
sein können,
wobei sie einen von Null verschiedenen Winkel α (positiv oder negativ) mit
der Vertikalen bilden, zum Beispiel dadurch, dass die Düsen ein wenig
von der Mitte des Kopfes entfernt werden, indem der Radius R des
Kreises vergrößert wird,
auf dem sie sich befinden. Es ist vorzuziehen, immer einen solchen
Kreisdurchmesser und einen solchen Neigungswinkel α zu wählen, dass
der Gasstrahl, der aus den Düsen 32 austritt,
in Richtung der verbrennenden Gase zeigt, die die Hauptflammen bilden,
damit er sich mit diesen mischt, und vorzugsweise in Richtung des
Endpunkts dieser Hauptflammen, sodass die Sekundärflammen F' sich richtig hinter oder zwischen den
Hauptflammen bilden können,
durch gegenseitige Zündung
mit diesen (die Hauptflammen werden dann zu „Steuerflammen" der Sekundärflammen).
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Bei
der Abänderung
der Ausführung
in 5 sind die Düsen 32 unmittelbar
auf dem Verbrennungskopf 15 angebracht und nicht mehr auf
dem Gehäuse 12.
In diesem Fall ist der Kopf 15 vorzugsweise ringförmig und
die Hauptflammen sind zum Mittelpunkt A des Kopfes hin gerichtet,
während
die Düsen
in der Mitte dieses Ringes angeordnet sind und vorzugsweise, wie
bei der zuvor beschriebenen Lösung,
in Richtung des Endpunkts der Hauptflammen gerichtet sind. Die Düsen 32 können auch
gemäß einem
Winkel α zu
der Vertikalen geneigt sein, wobei ein minimaler Abstand im Verhältnis zu
den Randöffnungen
des Kopfes trotzdem aus Gründen der
Leistung eingehalten werden muss.
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In 4 ist
eine schematische Darstellung gezeigt, die das System zur Versorgung
des Brenners beschreibt. Dieses System 20 umfasst eine
erste Leitung 21 zur Versorgung mit Gas (Erdgas zum Beispiel),
die das Gerät
zur Mischung (Luft aus der Atmosphäre + Erdgas) des Verbrennungskopfes 15 versorgt
und die durch ein Sicherheitsventil 22 gesteuert wird,
das mit einem Thermoelement 23 verbunden ist. Eine zweite
Leitung 24 geht von der ersten Leitung 22 so ab,
dass sie die Düsen 32 mit
reinem Gas versorgt. Das Einströmen
von Gas in die Düsen 32 wird
durch den Benutzer mit Hilfe eines Magnetventils 26 und
eines Ein-Aus-Schalters 25 gesteuert.
Um höchstmögliche Sicherheit
zu gewährleisten,
ist das Einströmen
von Gas in die Düsen dank
eines Druckreglers 27, der mit der Hauptleitung 21 verbunden
ist, nur dann möglich,
wenn der Verbrennungskopf bei voller Leistung betrieben wird. Der
Ein-Aus-Knopf kann
somit nur betätigt
werden, wenn der Druckregler festgestellt hat, dass der Verbrennungskopf
auf Höchstleistung
eingestellt war.
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Die
Funktionsweise dieses verbesserten Brenners, der zum Beispiel in
einem herkömmlichen (für den Privathaushalt)
oder professionellen Gasherd (Industrieküche) angebracht sein kann,
ist sehr einfach. Wenn der Benutzer die Heizleistung des Brenners
unter einer Pfanne oder einem Topf schnell erhöhen will, bringt er zunächst das
Flammhalter-Mittel auf Höchstleistung,
indem er einen Regelknopf dreht, der hierfür vorgesehen ist. Anschließend betätigt er
das Magnetventil 26 und den Ein-Aus-Schalter 25 (vom
Typ „Ein-Aus"). Dies bewirkt,
dass reines Gas in Richtung der Krone der Hauptflammen zugeführt wird.
Es bildet sich dann ein turbulenter Gasstrahl, der sich mit den
verbrennenden Gasen der Hauptflammen mischt, was die Erzeugung von
Sekundärflammen
F' hervorruft, die
zu den Hauptflammen hinzukommen. Die gegenseitige Zündung, die zwischen
den Hauptflammen und den Sekundärflammen
entsteht, ermöglicht
es, die Gruppe zu stabilisieren und eine Verbrennung mit hoher Leistung
und mit vermindertem Schadstoffausstoß (CO, NOx) sicherzustellen.
Im Bereich der Hauptflammen wird somit ein bedeutender Leistungszuwachs
erreicht, der es ermöglicht,
einen Behälter
sehr schnell zu erhitzen, ohne dass die Abmessungen des Verbrennungskopfes
vergrößert werden.
Die unter dem Behälter
vorhandene Wärmedichte
wird somit im Vergleich zu den Brennern des Standes der Technik
deutlich erhöht.
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Sobald
der Behälter
und sein Inhalt warm genug sind, genügt es, die Leistung des Verbrennungskopfes
geringfügig
zu verringern. Wenn der Druckregler ein Absinken des Drucks unter
den Höchstdruck
feststellt, unterbindet er automatisch das Einströmen von
Gas in die Düsen,
und der Brenner arbeitet erneut in der normalen Betriebsart, wodurch der
Effekt „punktueller
Leistungszuwachs" entfällt. Selbstverständlich kann
der Benutzer, wenn er es wünscht,
selbst den Stopp der Düsen
mit Hilfe des Ein-Aus-Knopfes steuern.
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Bei
einem Verbrennungskopf mit einer Höchstleistung von 5,2 kW und
einer Mindestleistung von 1,5 kW ist es beispielsweise möglich gewesen, mit
Hilfe der hier beschriebenen Düsen
eine Höchstleistung
von 7,5 kW zu erreichen, mit einer Flexibilität, die von 3,4 auf 5 steigt,
einer um 30% verminderten Temperaturanstiegszeit und einer Normleistung, die
von 55% auf über
60% steigt. Dies beruht insbesondere auf der Tatsache, dass das
Strömen
des reinen Brenngases, das aus den Düsen austritt, turbulent ist,
was bewirkt, dass der thermische Übergangskoeffizient in Richtung
des zu erwärmenden
Behälters
ansteigt.
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Dieser
Brenner ist demnach äußerst einfach anzuwenden
und zu entwickeln. Er ist an zahlreiche Typen von Vorrichtungen
zum Brennen oder Erhitzen anpassbar (nicht dargestellt), ob es sich
um Herde, Gasheizungen, Durchlauferhitzer oder andere Vorrichtungen
handelt, die mit Brennern zur teilweisen oder vollständigen Vormischung
versehen sind, die einen leicht zu erreichenden Leistungszuwachs
benötigen.
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Im Übrigen sind
die Mehrkosten eines solchen Brenners sehr gering, er lässt sich
genauso leicht reinigen oder auseinander nehmen wie ein gewöhnlicher
Brenner, er funktioniert sicher und zuverlässig, er ist wenig umweltschädlich. Schließlich besitzt
er eine erhöhte
Anwendungsflexibilität.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung keineswegs auf die beispielhaft dargestellten Ausführungsformen
beschränkt.
So kann der Kopf und damit der Brenner im ganzen eine andere als
kreisförmige
oder ringförmige
Form aufweisen. Die Anzahl und die Position der Düsen kann
ebenfalls variieren, insbesondere je nach Form des Kopfes. Andere
Gase können ebenfalls
anstelle von Erdgas verwendet werden, wie zum Beispiel Gas aus Erdöl oder Industriegase.