DE69230761T2

DE69230761T2 - GAS HEATER WITH BURNERS THAT WORK WITHOUT ADDITIONAL AIR

Info

Publication number: DE69230761T2
Application number: DE69230761T
Authority: DE
Inventors: Vincent Joyce
Original assignee: Bowin Technology Pty Ltd
Current assignee: Bowin Technology Pty Ltd
Priority date: 1991-12-30
Filing date: 1992-12-24
Publication date: 2000-08-31
Anticipated expiration: 2012-12-25
Also published as: ATE190390T1; DE69230761D1

Description

TECHNICAL AREA

Die vorliegende Erfindung betrifft Heizvorrichtungen, insbesondere mit Gas befeuerte Heizvorrichtungen.The present invention relates to heating devices, in particular gas-fired heating devices.

Die Erfindung ist hauptsächlich zur Verwendung als Warmwasserbereiter, Raumheizgerät o. dgl. entwickelt worden und wird nachstehend unter Bezugnahme auf diese Anwendungen beschrieben werden. Es leuchtet jedoch ein, daß die Erfindung nicht auf diese speziellen Verwendungsgebiete beschränkt ist.The invention has been developed primarily for use as a water heater, space heater or the like and will be described below with reference to these applications. However, it will be understood that the invention is not limited to these specific areas of use.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich ganz speziell auf mit Gas befeuerte Heizvorrichtungen mit einem mit Gas befeuerten Brenner, in dem die Verbrennung an oder in der Nähe einer Brennfläche stattfindet, die unter Unterdruck gehalten ist. Der Brenner wird unter Bedingungen betrieben, die hauptsächlich zu konvektiver Wärmeübertragung und zu verringerter Abgabe von Stickstoffoxiden (NOx) und Kohlenmonoxid (CO) führen.The present invention relates more particularly to gas-fired heating devices having a gas-fired burner in which combustion takes place on or near a combustion surface maintained under negative pressure. The burner is operated under conditions which result in primarily convective heat transfer and reduced emission of nitrogen oxides (NOx) and carbon monoxide (CO).

Es werden zwei Ausführungsformen dieser Erfindung erläutert. Eine Ausführungsform bildet einen neuartigen und verbesserten Warmwasserbereiter, bei dem eine Leistungsverbesserung durch Anordnen der Brennfläche in einer abgedichteten Verbrennungskammer erzielt wird, die unter Unterdruck gehalten wird, ohne daß kraftbetriebene mechanische Ventilatoren oder Gebläse benutzt werden. Eine zweite Ausführungsform bildet einen neuartigen und verbesserten Raumheizofen, bei dem die Brennfläche des Brenners unter Unterdruck gehalten chen, die heißer oder kühler als der Durchschnitt sind. Eine solche Ungleichmäßigkeit der Verbrennung führt zur lokalen Erzeugung unerwünschter Verbrennungsprodukte, insbesondere Kohlenmonoxid (CO) und Stickstoffoxiden (NOx).Two embodiments of this invention are illustrated. One embodiment provides a novel and improved water heater in which an improvement in performance is achieved by locating the combustion surface in a sealed combustion chamber which is maintained under negative pressure without the use of powered mechanical fans or blowers. A second embodiment provides a novel and improved space heater in which the combustion surface of the burner is maintained under negative pressure. that are hotter or cooler than average. Such uneven combustion leads to the local production of undesirable combustion products, particularly carbon monoxide (CO) and nitrogen oxides (NOx).

Mit Gas befeuerte Raumheizöfen, die hauptsächlich konvektive Wärmeübertragung nutzen, müssen die erwärmte Luft bei einer genügend niedrigen Temperatur umwälzen, um Verletzungen oder Schäden bei Aufrechterhaltung der Bequemlichkeit der Raumbenutzer zu vermeiden. Bei direkter Wärmeübertragung mußte die umgewälzte erwärmte Luft bisher mit kühlerer Raumluft verdünnt werden, die als Zusatzverbrennungsluft durch den Heizofen geleitet wurde. Jedoch kompliziert die Zusatzverbrennungsluft im allgemeinen den Verbrennungsvorgang und führt zur Emission größerer Mengen Schadstoffe.Gas-fired space heaters, which primarily use convective heat transfer, must circulate heated air at a sufficiently low temperature to avoid injury or damage while maintaining the comfort of the room occupants. With direct heat transfer, the circulated heated air has traditionally had to be diluted with cooler room air passed through the heater as supplemental combustion air. However, supplemental combustion air generally complicates the combustion process and results in the emission of larger quantities of pollutants.

Für Warmwasserbereiter gibt es zahlreiche herkömmliche Gasbrenner, von denen zwei Beispiele in den US-Patentschriften 4510,890 (COWAN) und 4,867,106 (STAATS) offenbart sind.There are numerous conventional gas burners for water heaters, two examples of which are disclosed in U.S. Patents 4,510,890 (COWAN) and 4,867,106 (STATE).

STAATS beschreibt einen Warmwasserbereiter mit einem isolierten Wasserbehälter mit einem Rauchzugrohr, das sich ab einer Verbrennungskammer erstreckt, die einen unter dem Behälter angeordneten Brenner mit entleuchteter Flamme umgibt. Um die Wärmeübertragung auf die Flüssigkeit im Behälter so groß wie möglich zu machen, werden im Rauchzug Einbauten verwendet. Zur Unterstützung der Ableitung der Abgasprodukte aus dem mit Einbauten versehenen Rauchzug in eine durch die Wand hindurchgeführte direkte Entlüftungsöffnung wird ein Abluftventilator benutzt. Da dieser Warmwasserbereiter einen Brenner mit entleuchteter Flamme verwendet, der mit der Verbrennung von Primär- und Zusatzluft arbeitet, werden große Stickstoffoxid-Emissionen erzeugt. Auch ist es bei solchen Brennern notwendig, entsprechenden Einlaß von Zusatzluft in die Verbrennungskammer sicherzustellen.STAATS describes a water heater having an insulated water tank with a flue pipe extending from a combustion chamber surrounding a vented flame burner located below the tank. To maximize heat transfer to the liquid in the tank, baffles are used in the flue. An exhaust fan is used to assist in the evacuation of exhaust products from the vented flue to a direct vent opening through the wall. Since this water heater uses a vented flame burner that is connected to the Combustion of primary and additional air generates large emissions of nitrogen oxides. It is also necessary for such burners to ensure adequate intake of additional air into the combustion chamber.

Im Gegensatz dazu bezieht sich COWAN auf eine Heizvorrichtung mit Schornsteinanschluß mit einem Wasserbehälter, an dessen einer Seite ein Infrarot-Brenner angeordnet ist, der Wärme bei sehr hoher Temperatur waagerecht gegen die Seitenwand des Behälters strahlt. Auch hier werden die verbrannten Gase nach oben durch einen Rauchzugkamin geleitet, der zur höchstmöglichen Vergrößerung des Wärmeaustauschs mit der Flüssigkeit im Behälter mit einer Vielzahl von Einbauten versehen ist.In contrast, COWAN refers to a chimney-connected heater with a water tank, on one side of which is an infrared burner that radiates heat at a very high temperature horizontally against the side wall of the tank. Here too, the burned gases are directed upwards through a flue, which is equipped with a variety of fittings to maximize the heat exchange with the liquid in the tank.

Die Verbesserung der offenbarten Vorrichtung besteht lediglich in der Verwendung eines an einer Seitenwand angeordneten Infrarot-Brenners, um im Vergleich zu Warmwasserbereitern, die durch mit Zusatzluft betriebenen Bunsenbrennern betrieben werden, die Emissionen von Stickstoffoxiden zu verringern. Der Infrarot-Brenner verwendet jedoch ein verengtes Venturirohr und ist dadurch bei einer gegebenen Leistung größer als üblich und daher ziemlich hinderlich, insbesondere bei seiner Anordnung an der Außenseite des Behälters.The improvement of the disclosed device consists only in the use of an infrared burner arranged on a side wall to reduce emissions of nitrogen oxides compared to water heaters operated by Bunsen burners operated with supplementary air. However, the infrared burner uses a restricted venturi tube and is therefore larger than usual for a given power and therefore quite cumbersome, especially when arranged on the outside of the vessel.

In ähnlicher Weise gibt es eine Vielzahl herkömmlicher Patentanmeldungen, die sich auf Raumheizöfen beziehen. Ein Beispiel dafür ist die australische Patentanmeldung AU 60654/86 (RINNAI). Diese Anmeldung lehrt eine Brennervorrichtung, die besonders für Raumheizöfen geeignet ist und sowohl in einem Bunsen-Modus als auch in einem Verbrennungs- Modus mit Voll-primärluft betreibbar ist. Die Offenbarung bezieht sich im wesentlichen auf eine Sicherheitseinrichtung zum Feststellen eines Sauerstoffmangelzustandes, wenn der Brenner im Bunsen-Verbrennungsbetrieb arbeitet. Auch hier wird ein ziemlich großer Brenner von herkömmlichen Abmessungen verwendet, der für Zusatzluft offen sein muß, um die Verbrennung des Bunsen-Typs zu ermöglichen. Ein anderes Beispiel ist in der japanischen Patentanmeldung 58-1797 offenbart.Similarly, there are a number of conventional patent applications relating to space heaters. An example of this is Australian patent application AU 60654/86 (RINNAI). This application teaches a burner device which is particularly suitable for space heaters and is operable in both a Bunsen mode and a full primary air combustion mode. The disclosure relates essentially to a safety device for detecting an oxygen deficiency condition when the burner is operating in Bunsen combustion mode. Here too, a fairly large burner of conventional dimensions is used which must be open to supplementary air in order to enable Bunsen type combustion. Another example is disclosed in Japanese Patent Application 58-1797.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen oder mehrere Nachteile des Standes der Technik zu überwinden oder wenigstens zu mildern.The present invention is based on the object of overcoming one or more disadvantages of the prior art or at least mitigating them.

DISCLOSURE OF THE INVENTION

Entsprechend einem ersten Merkmal der Erfindung wird eine mit Gas befeuerte Brennervorrichtung gemäß Anspruch 1 geschaffen.According to a first aspect of the invention there is provided a gas fired burner apparatus as defined in claim 1.

Entsprechend einem zweiten Merkmal der vorliegenden Erfindung wird ein Raumheizofen gemäß Anspruch 23 geschaffen.According to a second feature of the present invention, there is provided a space heater according to claim 23.

Entsprechend einem dritten Merkmal der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren gemäß Anspruch 26 geschaffen.According to a third feature of the present invention, there is provided a method according to claim 26.

Entsprechend einer Entwicklung der Erfindung ist ein Warmwasserbereiter geschaffen, der einen Behälter aufweist, welcher eine sich senkrecht erstreckende, im wesentlichen zylindrische Wasserkammer bildet, eine kuppelförmige, nach oben konkave Wand, die das untere Ende der Wasserkammer und die Oberseite einer Verbrennungskammer bildet, einen Rauchzugkamin, der sich entlang der Mitte der Wasserkammer senkrecht erstreckt, an seinem unteren Ende durch den Mittelabschnitt der konkaven Wand in die Verbrennungskammer mündet und an seinem oberen Ende zur Umgebung über der Wasserkammer hin offen ist, eine in der Verbrennungskammer angeordnete poröse Brennfläche, eine Plenumkammer unter der Brennfläche, eine in die Plenumkammer mündende Luftleitung, und eine mit dieser Luftleitung verbundene Quelle für gasförmigen Brennstoff, die zur Vereinigung mit einer Menge Primärluft in der Plenumkammer einleitet, die ausreicht, um ein größeres als stöchiometrisches Gemisch herzustellen, die Verbrennungskammer, außer bei der Luftleitung und dem unteren Ende des Rauchzugkanals, im wesentlichen abgedichtet ist, so daß Zusatzverbrennungsluft nicht in die Verbrennungskammer einströmt, die Verbrennungsgase aus der Verbrennung des gasförmigen Brennstoffs und der Primärluft im wesentlichen ununterbrochen entlang der konkaven Fläche nach oben zum Rauchzugkanal und durch den Rauchzugkanal strömen, um in der Verbrennungskammer einen Unterdruck zu erzeugen, ohne daß kraftbetriebene mechanische Strömungserzeuger erforderlich sind, wobei dieser Unterdruck bewirkt, daß Gase die Brennfläche mit einer Rate durchströmen, die größer als die Strömungsrate ist, welche bei unter atmosphärischem Druck stehender Verbrennungskammer bestehen würde, wodurch der Flächeninhalt der Brennfläche bei gegebener Wärmeenergieeingabe und Brennerleistung im Vergleich zum Flächeninhalt der Brennfläche verkleinert ist, der bei gleicher Wärmeenergieeingabe und Brennerleistung erforderlich wäre, wenn die Verbrennungskammer unter atmosphärischem Druck stünde.According to a development of the invention, a water heater is provided which comprises a container which forms a vertically extending, substantially cylindrical water chamber, a dome-shaped, a concave wall at the top defining the lower end of the water chamber and the top of a combustion chamber, a flue chimney extending vertically along the center of the water chamber, opening at its lower end through the central portion of the concave wall into the combustion chamber and at its upper end being open to the atmosphere above the water chamber, a porous combustion surface disposed in the combustion chamber, a plenum chamber beneath the combustion surface, an air duct opening into the plenum chamber, and a source of gaseous fuel connected to said air duct for combining with a quantity of primary air in the plenum chamber sufficient to produce a greater than stoichiometric mixture, the combustion chamber being substantially sealed except at the air duct and the lower end of the flue duct so that additional combustion air does not flow into the combustion chamber, the combustion gases from the combustion of the gaseous fuel and the primary air being directed substantially continuously along the concave surface upwards to the flue duct and through the flue duct flow to create a negative pressure in the combustion chamber without the need for powered mechanical flow generators, said negative pressure causing gases to flow through the combustion surface at a rate greater than the flow rate which would exist if the combustion chamber were at atmospheric pressure, whereby the surface area of the combustion surface is reduced for a given heat energy input and burner output compared to the surface area of the combustion surface which would be required for the same heat energy input and burner output if the combustion chamber were at atmospheric pressure.

Es ist erwünscht, daß die Verbrennungstemperatur im Bereich von 600ºC bis 900ºC bei einer vorzuziehenden Verbrennungsleistung von 20% bis 400% über der Leistung gehalten wird, die bei fehlendem Unterdruck zustande kommt.It is desirable that the combustion temperature be maintained in the range of 600ºC to 900ºC with a preferable combustion efficiency of 20% to 400% above the efficiency that would be achieved in the absence of negative pressure.

Zu bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung gehören ein Warmwasserbereiter und ein Raumheizofen, die je eine Brennervorrichtung mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen aufweisen.Preferred embodiments of the invention include a water heater and a space heater, each having a burner device with the features described above.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr nur im Sinne eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.A preferred embodiment of the invention will now be described by way of example only, with reference to the accompanying drawings.

BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 einen vereinfachten Längsschnitt durch einen Warmwasserbereiter mit einem Brenner, in dem die Erfindung ausgeführt ist,Fig. 1 shows a simplified longitudinal section through a water heater with a burner in which the invention is implemented,

Fig. 2 eine vereinfachte Draufsicht des Warmwasserbereiters und des Brenners gemäß Fig. 1 entlang der Linie 2-2 in Fig. 1,Fig. 2 is a simplified plan view of the water heater and burner according to Fig. 1 along the line 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte Teilseitenansicht des Brenners und des Verbrennungskammer-Teils der Einheit,Fig. 3 is an enlarged partial side view of the burner and the combustion chamber portion of the unit,

Fig. 4 einen vereinfachten senkrechten Schnitt durch einen Raumheizofen, in dem die Erfindung ausgeführt ist, undFig. 4 is a simplified vertical section through a room heater in which the invention is embodied, and

Fig. 5 eine Schrägansicht des in Fig. 4 dargestellten Raumheizofens, wobei Teile zwecks Übersichtlichkeit der Darstellung weggelassen sind.Fig. 5 is an oblique view of the room heater shown in Fig. 4, with parts removed for clarity.

DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT

Entsprechend Fig. 1 gehört zur Heizvorrichtung 1 ein gasbefeuerter Brenner oder Verbrennungseinheit 2 mit einer Brennfläche 5, die in der Basis eines Warmwasserbereiters 3 angeordnet ist. Die Brennfläche 5 ist im wesentlichen waagerecht und in der Basis des Warmwasserbereiters zentriert angeordnet.According to Fig. 1, the heating device 1 includes a gas-fired burner or combustion unit 2 having a combustion surface 5 arranged in the base of a water heater 3. The combustion surface 5 is arranged substantially horizontally and centered in the base of the water heater.

Gemäß Fig. 3 weist die Verbrennungseinheit 2 eine unter der Brenner-Brennfläche 5 angeordnete Plenumkammer 4 und eine eine Luftleitung 7 umfassende Luft-Brennstoff-Misch- und Abgabevorrichtung auf. Die Luftleitung kann, wie dargestellt, als Venturirohr oder als zylindrischer Schlauch oder Rohr gestaltet sein. Die Querschnittsfläche der Luftleitung sollte ausreichend groß sein, um Druckströmungsverluste in bezug auf die Unterdruck-Treibkraft über der Brennfläche 5 so gering wie möglich zu halten. Gasförmiger Brennstoff, wie Erdgas, strömt in die Luftleitung 7 durch eine Düse 7a ein und saugt Umgebungsluft an oder bewirkt, daß diese zusammen mit dem Brennstoff in die Plenumkammer 4 einströmt. Auf diese Weise saugt die Luftleitung 7 in Abhängigkeit vom Brennstoffstrom Umgebungsluft an und vereinigt diese mit dem Brennstoff zu einem brennbaren Luft-Brennstoff-Gemisch, das an die Plenumkammer 4 unter einem Plenumdruck abgegeben wird.According to Fig. 3, the combustion unit 2 comprises a plenum chamber 4 arranged below the burner combustion surface 5 and an air-fuel mixing and delivery device comprising an air line 7. The air line can be designed as a venturi tube or as a cylindrical hose or tube as shown. The cross-sectional area of the air line should be sufficiently large to keep pressure flow losses with respect to the vacuum driving force over the combustion surface 5 as low as possible. Gaseous fuel, such as natural gas, flows into the air line 7 through a nozzle 7a and draws in ambient air or causes it to flow into the plenum chamber 4 together with the fuel. In this way, the air line 7 sucks in ambient air depending on the fuel flow and combines it with the fuel to form a combustible air-fuel mixture which is delivered to the plenum chamber 4 under a plenum pressure.

Die Düse 7a ist vorzugsweise etwa einen engl. Zoll (25,4 mm) von der Ebene der Mündung der Luftleitung 7 entfernt angeordnet. Es wurde festgestellt, daß sich verbesserte Ergebnisse erzielen lassen, wenn der Einlaß der Luftleitung zur Außenseite der Heizvorrichtungshülle hin offen ist. Ferner ermöglicht die Luftleitung die Mischung von Überschuß- Primärluft mit dem Brennstoff im Plenum 4. Der größere Teil der Primärverbrennungsluft wird durch die Treibkraft des über der Brennfläche 5 aufrechterhaltenen Unterdrucks geliefert.The nozzle 7a is preferably located about one inch (25.4 mm) from the plane of the mouth of the air duct 7. It has been found that improved results are achieved if the inlet of the air duct is open to the outside of the heater shell. Furthermore, the air duct allows excess primary air to mix with the fuel in the plenum 4. The majority of the primary combustion air is supplied by the motive force of the negative pressure maintained over the combustion surface 5.

Eine Verbrennungskammer 8 steht über Poren in der Brenner- Brennfläche 5 in Fluidverbindung mit der Plenumkammer 4, die ihrerseits in Fluidverbindung mit der Luftleitung 7 steht. Die Luftleitung 7 sorgt zumindest für eine teilweise Mischung der Luft und des Brennstoffs, die in der Plenumkammer 4 zu Ende geführt wird. Die Brenner-Brennfläche 5 ist eine poröse Brennfläche. Sie ist vorzugsweise aus Draht, ganz vorzugsweise aus Inconel-601-Draht hergestellt. Die Fläche 5 kann auch aus anderen wärmefesten, porösen Werkstoffen, z. B. Keramiken hergestellt sein.A combustion chamber 8 is in fluid communication with the plenum chamber 4 via pores in the burner combustion surface 5, which in turn is in fluid communication with the air line 7. The air line 7 ensures at least a partial mixing of the air and the fuel, which is completed in the plenum chamber 4. The burner combustion surface 5 is a porous combustion surface. It is preferably made of wire, most preferably Inconel 601 wire. The surface 5 can also be made of other heat-resistant, porous materials, e.g. ceramics.

Die Brenner-Brennfläche 5 ist in einer im wesentlichen abgedichteten Verbrennungskammer 8 angeordnet. Die Verbrennungskammer 8 kann den Brennerteil 2 umschließen, oder der Brennerteil 2 kann an der Bodenwand 12 der Verbrennungskammer angebracht sein, wodurch die Brenner-Brennfläche 5 einen Abschnitt der Innenwand der Kammer 8 bildet. Die Kammer 8 ist ausreichend abgedichtet, um das Einströmen von Zusatzluft in die Verbrennungskammer in Mengen zu verhindern, welche die Brennerarbeitsweise nachteilig beeinflussen könnten. Ein Rauchzugkamin 9 bildet eine Öffnung zur Umgebungsluft. Wie hier in Verbindung mit Verbrennungskammern benutzt, bezieht sich somit "abgedichtet" oder "geschlossen" auf die Verhinderung des Einströmens bedeutender Mengen Zusatzluft in die Verbrennungskammer.The burner combustion surface 5 is arranged in a substantially sealed combustion chamber 8. The combustion chamber 8 may enclose the burner part 2, or the burner part 2 may be attached to the bottom wall 12 of the combustion chamber, whereby the burner combustion surface 5 forms a portion of the inner wall of the chamber 8. The chamber 8 is sufficiently sealed to prevent the inflow of additional air into the combustion chamber in amounts which could adversely affect the burner operation. A Flue chimney 9 forms an opening to the ambient air. As used herein in connection with combustion chambers, "sealed" or "closed" thus refers to the prevention of the inflow of significant quantities of additional air into the combustion chamber.

Wie am deutlichsten in Fig. 3 dargestellt, erstreckt sich der Rauchzugkamin 9 von einer oberen kuppelförmigen Wandfläche 11 der Verbrennungskammer 8 durch die Mitte des Wasserbehälters 10 senkrecht nach oben. Der Rauchzugkamin kann sich über den Warmwasserbereiter hinaus erstrecken, um den natürliche Luftzug zu erhöhen und den Unterdruck in der Verbrennungskammer 8 weiter zu verringern. Die kuppelförmige obere Wand 11 leitet die Verbrennungsprodukte in den Rauchzugkamin 9. Ferner wirkt die kuppelförmige Wand 11 als Wärmeaustauschfläche, weil sie Teil des Wasserbehälters ist.As shown most clearly in Fig. 3, the flue chimney 9 extends vertically upward from an upper dome-shaped wall surface 11 of the combustion chamber 8 through the center of the water tank 10. The flue chimney may extend beyond the water heater to increase the natural draft and further reduce the negative pressure in the combustion chamber 8. The dome-shaped upper wall 11 directs the combustion products into the flue chimney 9. Furthermore, the dome-shaped wall 11 acts as a heat exchange surface because it is part of the water tank.

Der Rauchzugkamin 9 kann auch (nicht dargestellte) Einbauten zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Wärmeübertragung von den Verbrennungsgasen auf das Wasser enthalten. Die Einbauten sollten so ausgelegt sein, daß sie Strömungsverluste durch Reibung im Rauchzugkamin so klein wie möglich halten.The flue 9 can also contain fittings (not shown) to improve the efficiency of heat transfer from the combustion gases to the water. The fittings should be designed in such a way that they keep flow losses due to friction in the flue as small as possible.

Bei einem üblichen Warmwasserbereiter, bei dem der untere Abschnitt der Verbrennungskammer für Umgebungsluft offen ist und der Brenner zwischen den Heizzyklen ausgeschaltet worden ist, wird kalte Luft durch die Verbrennungskammer und den Rauchzugkamin durch den Auftrieb der durch das warme Wasser im Warmwasserbereiter 3 erwärmten Luft geleitet. Diese Luft kühlt das erwärmte Wasser und führt zu passiven Verlusten und erniedrigtem Wirkungsgrad.In a typical water heater, where the lower section of the combustion chamber is open to ambient air and the burner has been turned off between heating cycles, cold air is forced through the combustion chamber and flue chimney by the buoyancy of the air heated by the warm water in the water heater 3. This air cools the heated water and results in passive losses and reduced efficiency.

Durch Abdichten der Verbrennungskammer wird das Einströmen solcher nicht erwärmter Luft im wesentlichen verhindert. Die einzige Ausnahme ist eine durch die Luftleitung 7 strömende kleine Luftmenge. Somit werden durch die Schaffung einer abgedichteten Verbrennungskammer passive Wärmeverluste durch Beschränken des Einströmens kalter Luft während Abschalt- Zwischenzeiten weiter verringert.By sealing the combustion chamber, the inflow of such unheated air is essentially prevented. The only exception is a small amount of air flowing through the air line 7. Thus, by creating a sealed combustion chamber, passive heat losses are further reduced by restricting the inflow of cold air during shutdown intervals.

An der unteren Wand 12 der Verbrennungskammer 8 ist eine Isolierung 12a angeordnet, die zwei Aufgaben erfüllt. Zum ersten reduziert sie Geräusche während des Brennerbetriebes, und zum zweiten verringert sie Wärmeverluste durch die Wand 12.An insulation 12a is arranged on the lower wall 12 of the combustion chamber 8 and serves two purposes. Firstly, it reduces noise during burner operation, and secondly, it reduces heat losses through the wall 12.

Die Luftleitung 7 ist so ausgelegt, daß sie Luft liefert und Luft und Brennstoff zumindest teilweise mischt, wobei die Luftkomponente wenigstens 110% der stöchiometrischen Menge gleich ist. Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung übersteigt die bevorzugte Luftmenge, die mit Brennstoff in der Luftleitung vermischt ist, die stöchiometrische Menge um etwa 20% bis 100%, um die Verbrennungstemperatur und die NOx-Emissionen auf das angestrebte Niveau zu senken.The air line 7 is designed to supply air and at least partially mix air and fuel, with the air component being at least 110% of the stoichiometric amount. In this embodiment of the present invention, the preferred amount of air mixed with fuel in the air line exceeds the stoichiometric amount by about 20% to 100% in order to reduce the combustion temperature and NOx emissions to the desired level.

In der vorliegenden Erfindung wird Überschußluft benutzt, um die Aufrechterhaltung der Verbrennungstemperatur im Bereich von 600-900ºC zu unterstützen und eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs sicherzustellen und dadurch ein niedriges Niveau der durch die Verbrennung entstehenden unerwünschten Emissionen zu halten. Die Überschußluft ist Primärluft, weil sie mit dem über die Luftleitung in die Verbrennungskammer einströmenden Brennstoff gemischt wird. Mit Brennstoff gemischte Überschußluft bewirkt als Primärverbrennungsluft eine Absenkung des Niveaus unerwünschter Emissionen unter das, welches bei zugelassener Einströmung von Zusatzluft erzielt wird.In the present invention, excess air is used to help maintain the combustion temperature in the range of 600-900ºC and to ensure complete combustion of the fuel and thereby maintain a low level of undesirable emissions from combustion. The excess air is primary air because it is mixed with the air supplied to the combustion chamber via the air line. The excess air mixed with the fuel flowing into the combustion chamber serves as primary combustion air and reduces the level of undesirable emissions to below that achieved with the permitted inflow of additional air.

Im unteren Überschußluft-Bereich (z. B. 10%) wird die CO- Menge reduziert, indem für eine vollständige Verbrennung des Kohlenstoffs zu CO&sub2; gesorgt wird. Im höheren Überschußluft- Bereich (z. B. 100%) wird die Verbrennungstemperatur bis zu dem Punkt gesenkt, bei dem die CO-Produktion beginnt anzusteigen. Die Überschußluft verhindert die Entstehung von NOx durch Aufrechterhalten einer niedrigen Verbrennungstemperatur. Auf der anderen Seite bewirkt Zusatzluft einen ungleichmäßigen Verbrennungsvorgang und führt wegen entstehender heißer und kalter Bereich an der Brennfläche zu erhöhten Emissionen. Im allgemeinen erzeugen heiße Zonen übermäßiges NCR, kalte Zonen übermäßiges CO.In the lower excess air range (e.g. 10%), the amount of CO is reduced by ensuring complete combustion of the carbon to CO2. In the higher excess air range (e.g. 100%), the combustion temperature is lowered to the point where CO production begins to increase. The excess air prevents the formation of NOx by maintaining a low combustion temperature. On the other hand, additional air causes an uneven combustion process and leads to increased emissions due to the creation of hot and cold areas on the combustion surface. In general, hot zones produce excessive NCR and cold zones produce excessive CO.

Der Unterdruck in der abgedichteten Verbrennungskammer entsteht durch den natürlichen Luftzug beim Abführen der Verbrennungsprodukte durch den Rauchzugkamin in die Atmosphäre. Der Druck in der Verbrennungskammer im Bereich über der Brennfläche kann mathematisch folgendermaßen beschrieben werden:The negative pressure in the sealed combustion chamber is created by the natural air flow when the combustion products are discharged through the flue into the atmosphere. The pressure in the combustion chamber in the area above the combustion surface can be described mathematically as follows:

Pch = Patm - [(Datm - Dfl) · Hfl · g] + Reibungsverlust,Pch = Patm - [(Datm - Dfl) · Hfl · g] + friction loss,

worinwherein

Pch = Druck in der Verbrennungskammer,Pch = pressure in the combustion chamber,

Patm = atmosphärischer Druck,Patm = atmospheric pressure,

Datm = Dichte der umgebenden Atmosphäre,Datm = density of the surrounding atmosphere,

Dfl = durchschnittliche Dichte der Verbrennungsgase,Dfl = average density of combustion gases,

g = die Gravitationskonstante,g = the gravitational constant,

Hfl - Höhe des Rauchzugkamins.Hfl - height of the flue chimney.

Reibungsverlust entsteht durch die turbulente Strömung der heißen Verbrennungsprodukte, die im Rauchzugkamin durch ihren Auftrieb hochsteigen, oder durch reibende Wechselwirkung mit den Rauchzugkaminwänden und -einbauten. Die Höhe des Rauchzugkamins ist dessen Höhe in senkrechter Richtung von der Oberseite der Verbrennungskammer bis zur Stelle der Abgabe an die Umgebung.Friction loss is caused by the turbulent flow of the hot combustion products, which rise in the flue chimney due to their buoyancy, or by frictional interaction with the flue chimney walls and fittings. The height of the flue chimney is its height in a vertical direction from the top of the combustion chamber to the point of discharge into the environment.

Die hier beschriebene erste Ausführungsform ist bestimmt für einen Haushalts-Warmwasserbereiter. Übliche Warmwasserbereiter erfordern ein Einbauteil im Rauchzugkamin, um Wärmeverluste zu reduzieren und den Wirkungsgrad auf vorgeschriebene Grade zu erhöhen. Reibungsverluste aufgrund des Einbauteils verringern deutlich die Wirkung des natürlichen Luftzuges. Konstruktive Kompromisse zwischen Auslegung des Einbauteils und Auslegung des Brenners müssen bei der Anwendung dieser Erfindung auf Warmwasserbereiter und andere Zwecke in Betracht gezogen werden.The first embodiment described here is intended for a domestic water heater. Conventional water heaters require a fixture in the flue stack to reduce heat losses and increase efficiency to specified levels. Friction losses due to the fixture significantly reduce the effect of natural draft. Design compromises between fixture design and burner design must be considered in applying this invention to water heaters and other purposes.

Die Abmessungen der Kammer und das Rauchzugkamins sind vorzugsweise so, daß der Druck in der Verbrennungskammer auf den kleinstmöglichen Wert reduziert wird, der aus dem natürlichen Auftrieb heißer Verbrennungsprodukte, die durch den Rauchzugkamin entlüftet werden, übereinstimmend mit wirkungsvoller Wärmeübertragung auf das zu erwärmende Medium, erzielbar ist.The dimensions of the chamber and the flue are preferably such that the pressure in the combustion chamber is reduced to the lowest possible value that can be achieved from the natural buoyancy of hot combustion products vented through the flue, consistent with effective heat transfer to the medium to be heated.

Der natürliche Luftzug, wie vorstehend beschrieben, zieht mehr Luft durch die Brennerfläche, als ohne die in dieser Erfindung verwendete spezielle Konfiguration hindurchströmen würde. Der vergrößerte Luftstrom erhöht den prozentualen Anteil der Überschußluft und senkt die Verbrennungstemperatur und die NOx-Emissionen. Ein mit atmosphärischem Druck betriebener Brenner, der ohne den Vorteil eines solchen natürlichen Luftzuges arbeitet, könnte die mit der vorliegenden Erfindung erreichbaren Vorteile nicht erzielen. Das erfindungsgemäße Ergebnis wird erzielt durch Vergrößern des Druckabfalls an der Brenner-Brennfläche. Dieser vergrößerte Druckabfall wird durch die Verwendung einer porösen Brennfläche 5 vereinfacht.The natural draft, as described above, draws more air through the burner surface than would flow through it without the special configuration used in this invention. The increased air flow increases the percentage of excess air and lowers combustion temperature and NOx emissions. An atmospheric pressure burner operating without the benefit of such a natural draft could not achieve the benefits achievable with the present invention. The inventive result is achieved by increasing the pressure drop across the burner combustion surface. This increased pressure drop is facilitated by the use of a porous combustion surface 5.

Anstelle eines natürlichen Luftzuges zur Vergrößerung des Luftstroms kann der Luftstrom auf einem angestrebten stöchiometrischen Verhältnis gehalten werden und der Flächeninhalt der Brennfläche kann verkleinert werden. Ein kleinerer Flächeninhalt der Brennfläche, mit weniger Poren oder Öffnungen, schränkt den Luft-Brennstoff-Gemischstrom stärker ein als eine große Fläche mit mehr Öffnungen. In einem kleineren Element entsteht größerer Widerstand gegen den Strom gleichen Volumens des Luft-Brennstoff-Gemischs. Somit wird mit der vorliegenden Erfindung die gleiche Menge Luft und Brennstoff durch die kleinere Fläche geleitet, wobei der natürliche Luftzug zur Überwindung des größeren Strömungswiderstandes genutzt wird. Mit dem Brenner 2 wurde ein Versuch mit einem Wärmeeingang durchgeführt, der eine Verbrennungsleistung von 1644 MJ/h m² ergab. Ein Brenner mit äquivalenter Leistung, der ohne abgedichtete Verbrennungskammer in demselben Warmwasserbereiter betrieben wurde und im wesentliche die gleichen NOx-Emissionen erzeugte, hatte eine Verbrennungsleistung von etwa 500 HJ/h m². Auf diese Weise ermöglicht die Wirkung des natürlichen Luftzuges eine Verkleinerung des Flächeninhalts der Brennfläche um einen Faktor größer als drei und führt zu bedeutend niedrigeren Fertigungskosten des Brenners.Instead of using natural draft to increase air flow, the air flow can be maintained at a desired stoichiometric ratio and the surface area of the combustion surface can be reduced. A smaller surface area of the combustion surface, with fewer pores or openings, restricts the air-fuel mixture flow more than a large surface with more openings. In a smaller element, there is greater resistance to the flow of the same volume of air-fuel mixture. Thus, with the present invention, the same amount of air and fuel is passed through the smaller surface area, using the natural draft to overcome the greater flow resistance. A test was carried out with burner 2 with a heat input which resulted in a combustion output of 1644 MJ/h m². A burner of equivalent output, without a sealed combustion chamber in the same water heater and produced essentially the same NOx emissions, had a combustion efficiency of about 500 HJ/h m². In this way, the effect of the natural draught enables the surface area of the combustion surface to be reduced by a factor of more than three and leads to significantly lower manufacturing costs of the burner.

Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet einen Zimmer- oder Raumheizofen zur Benutzung in abzugslosen Innenräumen. Entsprechend Fig. 4 umfaßt ein Raumheizofen 20 ein Gehäuse 21. In diesem ist eine Verbrennungseinheit oder ein Brennerteil 23 etwa in der Mitte zwischen Vorder- und Rückseite und in senkrechter Richtung etwas unter der Mitte des Gehäuses 21 angeordnet. Der Teil 23 ist von langgestreckter zylindrischer Gestalt und erstreckt sich waagerecht durch das Gehäuse 21. Ein Ende des Teils 23 ist geschlossen, wogegen am entgegengesetzten Ende eine Luftleitung 24 dem Teil 23 ein brennbares Luft-Brennstoff-Gemisch liefert. In die Luftleitung 24 wird ein gasförmiger Brennstoff durch eine Gasversorgungsdüse 24a eingeleitet.The second embodiment of the present invention provides a room heater for use in ventless interior spaces. Referring to Fig. 4, a room heater 20 comprises a housing 21. A combustion unit or burner portion 23 is disposed therein approximately midway between the front and rear sides and vertically slightly below the center of the housing 21. The portion 23 is of elongated cylindrical shape and extends horizontally through the housing 21. One end of the portion 23 is closed, while at the opposite end an air duct 24 supplies a combustible air-fuel mixture to the portion 23. A gaseous fuel is introduced into the air duct 24 through a gas supply nozzle 24a.

Die Luftleitung 24 ist im Brennerteil 23 mittig angeordnet, wobei die Ebene des konisch erweiterten, kreisrunden Endes der Leitung mit dem Ende des Brennerteils fluchtet. Die Düse 24a ist vorzugsweise in einer Entfernung von ungefähr einem engl. Zoll (25,4 mm) von der Ebene angeordnet, die durch das konisch erweiterte, kreisrunde Ende der Luftleitung gebildet ist.The air conduit 24 is centrally located in the burner section 23, with the plane of the flared, circular end of the conduit aligned with the end of the burner section. The nozzle 24a is preferably located at a distance of approximately one inch (25.4 mm) from the plane defined by the flared, circular end of the air conduit.

Die obere Brennfläche 25 des Brennerteils 23 ist eine poröse Brennfläche und ermöglicht Strömung des Luft-Brennstoff-Gemischs zur Verbrennung von der Luftleitung 24 durch die Fläche. Die Fläche 25 ist vorzugsweise aus Draht, ganz vorzugsweise aus Inconel-601-Draht hergestellt. Die Fläche 25 kann auch aus anderen wärmefesten, porösen Werkstoffen, z. B. Keramiken hergestellt sein.The upper combustion surface 25 of the burner part 23 is a porous combustion surface and allows flow of the air-fuel mixture for combustion from the air line 24 through the surface. The surface 25 is preferably made of wire, most preferably Inconel 601 wire. The surface 25 can also be made of other heat-resistant, porous materials, e.g. ceramics.

Das Volumen in der zylindrischen Verbrennungseinheit 23 bildet eine Plenumkammer 27. Die Kammer 27 steht über die Poren der Fläche 25 in Fluidverbindung mit einer Verbrennungskammer 26. Die Kammer 27 steht über die Luftleitung 24 ebenfalls in Fluidverbindung mit Umgebungsluft und der Gasversorgungsdüse 24a.The volume in the cylindrical combustion unit 23 forms a plenum chamber 27. The chamber 27 is in fluid communication with a combustion chamber 26 via the pores of the surface 25. The chamber 27 is also in fluid communication with ambient air and the gas supply nozzle 24a via the air line 24.

Der Raum über der Brennerfläche 25 ist von der Wand 33 des (nachstehend näher beschriebenen) Gebläsekanals 30, einer Vorderwand 34 und (nicht dargestellten) Wänden an den axialen Enden umschlossen, die miteinander zusammenwirken und im wesentlichen die Verbrennungskammer 26 bilden. Die Endabschnitte der Rückwand 33 und der Vorderwand 34 bilden im Zusammenwirken miteinander eine langgestreckte Verbrennungskammer-Abgabeöffnung 31, durch welche die Verbrennungsprodukte entfernt werden.The space above the burner surface 25 is enclosed by the wall 33 of the fan duct 30 (described in more detail below), a front wall 34 and walls (not shown) at the axial ends which cooperate with one another to essentially define the combustion chamber 26. The end portions of the rear wall 33 and the front wall 34 cooperate to form an elongated combustion chamber discharge opening 31 through which the combustion products are removed.

Auf einer Seite des Heizofens 20 ist eine Ansaugöffnung 28 angeordnet, durch die Umgebungsluft angesaugt wird. Im Gehäuse 21 ist nahe der Ansaugöffnung 28 ein elektrisches Gebläse 22 angeordnet, das Umgebungsluft in das Gehäuse 21 saugt und die Luft durch den Kanal oder Durchlaß 30 zur Auslaßöffnung 29 über eine langgestreckte Düse oder Öffnung 32 treibt. Die vom Gebläse 22 behandelte Umgebungsluft nimmt an der Brennstoffverbrennung im Heizofen 20 nicht teil. Diese Luft wird benutzt, um die vom Verbrennungsteil 23 gelieferte Wärme mitzureißen, zu verdünnen und dann zu verteilen, indem der Verbrennungsgasstrom aus der Verbrennungskammer 26 herausgesaugt wird. Das Gebläse 22 liefert vorzugsweise etwa das 40fache der Luftmenge, die der Verbrennungsteil 23 zum Verbrennen des Brennstoffs verbraucht, jedoch kann diese Menge je nach dem individuellen Bedürfnis des Heizofenbenutzers in großem Umfang variiert werden. Da die Umgebungsluft vom Gebläse 22 den Durchlaß oder Kanal 30 durchströmt, wird sie durch die Abgabedüse oder Öffnung 32 gepreßt, die einen abwärts gerichteten Luftstrahl größerer Geschwindigkeit erzeugt. Dieser Hochgeschwindigkeits-Luftstrahl, der sich an der Abgabeöffnung 31 der Verbrennungskammer 26 vorbeibewegt, reißt durch Ansaugen Verbrennungsprodukte mit und erzeugt in der Kammer 26 einen Unterdruck.On one side of the heating furnace 20 there is arranged an intake opening 28 through which ambient air is sucked in. In the housing 21, near the intake opening 28, an electric fan 22 is arranged which sucks ambient air into the housing 21 and directs the air through the channel or passage 30 to the outlet opening 29 via an elongated nozzle or opening 32. The ambient air treated by the fan 22 does not participate in the fuel combustion in the furnace 20. This air is used to entrain, dilute and then disperse the heat supplied by the combustion section 23 by drawing the combustion gas stream out of the combustion chamber 26. The fan 22 preferably supplies about 40 times the amount of air used by the combustion section 23 to burn the fuel, but this amount can be varied widely depending on the individual needs of the furnace user. As the ambient air from the fan 22 passes through the passage or duct 30, it is forced through the discharge nozzle or orifice 32 which creates a downwardly directed jet of air of greater velocity. This high-speed air jet, which moves past the discharge opening 31 of the combustion chamber 26, entrains combustion products by suction and creates a negative pressure in the chamber 26.

Durch die Ausführung der Erfindung ergeben sich aus der Bereitstellung dieses Luftvolumens mehrere Vorteile. Erstens werden die aus der Verbrennungskammer 26 ausströmenden extrem heißen Verbrennungsgase durch den Luftstrom vom Gebläse 22 verdünnt und dadurch auf etwa 90ºC gekühlt. Eine solche Verdünnung ermöglicht eine gleichmäßigere Verteilung der Wärme im gesamten zu beheizenden Raum. Die Verdünnung bildet auch ein Sicherheitsmerkmal durch das Absenken der Temperatur von einem gefährlich hohen Niveau auf ein ausreichend kühles Niveau, bei dem es zu keiner Entzündung von nahegelegenem Material kommen kann.By the practice of the invention, several advantages result from the provision of this volume of air. First, the extremely hot combustion gases exiting the combustion chamber 26 are diluted by the air flow from the fan 22 and thereby cooled to about 90ºC. Such dilution allows for a more even distribution of heat throughout the space to be heated. Dilution also provides a safety feature by lowering the temperature from a dangerously high level to a sufficiently cool level where ignition of nearby material cannot occur.

Zweitens wird durch den angesaugten Abgasstrom aus der Verbrennungskammer 26 der Druck in der Kammer 26 verringert, wodurch ein größerer Strom Primärluft in den Teil 23 über die Luftleitung 24 ermöglicht wird. Der vergrößerte Luftstrom befähigt den erfindungsgemäßen Raumheizofen, eine gleichmäßige Verbrennungstemperatur im Bereich von 600 bis 900ºC bei kleinerem Flächeninhalt der Brennfläche und kleinerem Brenner aufrechtzuerhalten. Eine solche Beeinflussung der Temperatur ermöglicht eine Verringerung der Emissionen, wie vorstehend in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurde.Secondly, the exhaust gas flow drawn in from the combustion chamber 26 reduces the pressure in the chamber 26, thereby allowing a greater flow of primary air into the part 23 via the air line 24. The increased air flow enables the space heater according to the invention to maintain a uniform combustion temperature in the range of 600 to 900°C with a smaller surface area of the combustion surface and a smaller burner. Such manipulation of the temperature enables a reduction in emissions, as described above in connection with the first embodiment.

Ein dritter Vorteil dieser Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß vom Gebläse 22 durch den Durchlaß 30 zwischen der Wand 33 und dem Gehäuse 21 getriebene Umgebungsluft dazu dient, eine übermäßige Erwärmung des Gehäuses während des Betriebes des Ofens zu verhindern und die Luft vorzuerwärmen. Diese Herabsetzung der Gehäusetemperatur ermöglicht die sichere Verwendung billigerer Gehäusewerkstoffe, die ästhetisch besser gefallen.A third advantage of this embodiment of the invention is that ambient air forced by the fan 22 through the passage 30 between the wall 33 and the housing 21 serves to prevent excessive heating of the housing during operation of the oven and to preheat the air. This reduction in the housing temperature allows the safe use of cheaper housing materials which are more aesthetically pleasing.

Es ist wichtig festzustellen, daß die vom Gebläse 22 durch den Durchlaß 30 umgewälzte Umgebungsluft an der Verbrennung des Brennstoffs nicht teilnimmt. Ferner kommen mit dem Gebläse 22 keine Gase in Berührung, die durch die Verbrennung entstehen. Somit wird bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vom Gebläse 22 verlangt, daß es weder auf der Verbrennung zugeführte Luft noch auf Produkte aus der Verbrennung einwirkt. Die einzige Aufgabe des Gebläses 22 besteht darin, ein Volumen Umgebungsluft mit einer Geschwindigkeit zu liefern, die ausreicht, um in der Verbrennungs kammer erzeugte Gase mitzureißen und die erwärmte Luft und Verbrennungsprodukte in den zu beheizenden Raum zu pressen. Dadurch wird die Umgebungsluft mit diesen Gasen gemischt, wobei die Verbrennungswärme auf ein sicher nutzbares Niveau abgeschwächt wird.It is important to note that the ambient air circulated by the fan 22 through the passage 30 does not participate in the combustion of the fuel. Furthermore, the fan 22 does not come into contact with any gases produced by the combustion. Thus, in this embodiment of the present invention, the fan 22 is not required to act on either the air supplied to the combustion or the products of the combustion. The sole function of the fan 22 is to supply a volume of ambient air at a rate sufficient to chamber and to force the heated air and combustion products into the room to be heated. This mixes the ambient air with these gases, reducing the heat of combustion to a safely usable level.

Der in dieser Ausführungsform erzielte Unterdruck führte zu einer Zunahme der Verbrennungsleistung auf 644 MJoule/m² h, verglichen mit einer Verbrennungsleistung von 540 MJoule/m² h bei einem äquivalenten herkömmlichen Raumheizofen geringer NOx-Emission. Dies stellt eine Zunahme der Verbrennungsleistung von etwa 20% dar, die einer Verkleinerung des Flächeninhalts der Brennfläche von 20% bei einer gegebenen Wärmeeingabeleistung entspricht.The negative pressure achieved in this embodiment resulted in an increase in combustion efficiency to 644 MJoule/m²h, compared to a combustion efficiency of 540 MJoule/m²h for an equivalent conventional low NOx emission space heater. This represents an increase in combustion efficiency of about 20%, corresponding to a reduction in the surface area of the combustion surface of 20% for a given heat input power.

Der Brenner dieser Ausführungsform sorgt hauptsächlich für konvektive Wärmeübertragung. Bei diesem Brenner wurde bei Anordnung in einer Deckenheizvorrichtung eine Übertragung von Strahlungswärme in Höhe von 19 bis 25% der gesamten durch Verbrennung erzeugten Wärme gemessen.The burner of this embodiment provides mainly convective heat transfer. This burner, when placed in a ceiling heating device, has been measured to transfer radiant heat amounting to 19 to 25% of the total heat generated by combustion.

Entsprechend beider dargestellter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann natürlicher oder durch Ansaugung entstehender Luftzug benutzt werden, um in einer Verbrennungskammer Unterdruck aufrechtzuerhalten, der es ermöglicht, die Abmessungen des Flächeninhalts der Brennfläche und des Brenners bei einer gegebenen Wärmeenergieeingabe oder Brennerleistung zu verkleinern. Auch können die CO- und NOx-Emissionen in solchen luftzugunterstützten Brennern durch Anwenden bevorzugter Kombinationen von Brennerbetriebsbedingungen beträchtlich verringert werden.According to both illustrated embodiments of the present invention, natural or aspirated air draft can be used to maintain negative pressure in a combustion chamber, allowing the dimensions of the surface area of the combustion surface and the burner to be reduced for a given thermal energy input or burner output. Also, CO and NOx emissions in such air draft assisted burners can be significantly reduced by employing preferred combinations of burner operating conditions.

Aus der Benutzung der hier offenbarten Brenner in Verbindung mit den Wirkungen natürlichen oder durch Ansaugung erzeugten Luftzugs ergibt sich als weiterer Vorteil die Verkleinerung der Abmessungen der Luft-Brennstoff-Mischvorrichtung, die vorzugsweise als Luftleitung ausgebildet ist, aber auch ein Venturirohr sein kann. Beispielsweise würde bei einem üblichen Warmwasserbereiter ein Brenner mit vergleichbarer Leistung des Verbrennungsteils oder Verbrennungsleistung, aber ohne den Vorteil natürlichen oder durch Ansaugung entstehenden Luftzuges, ein Venturirohr von etwa 10 engl. Zoll (254 mm) Länge erfordern, um eine ausreichende Mischung von Brennstoff und Luft für die Unterhaltung einer ruhigen, gleichmäßigen Verbrennung zu liefern. In der vorliegenden Erfindung ist die vorzugsweise verwendete Luftleitung von einer Länge von nur etwa 4,5 engl. Zoll (114,3 mm), eine Reduzierung von mehr als fünfzig Prozent der Länge der Luft- Brennstoff-Abgabevorrichtung des luftzuglosen Brenners von vergleichbarer Brennerleistung. Eine solche Reduzierung ist möglich, weil der Luftzug den Luft- und Brennstoffstrom durch die Brennfläche zu dessen ruhiger, gleichmäßiger Verbrennung vergrößert.A further advantage of using the burners disclosed herein in conjunction with the effects of natural or aspirated air draft is the reduction in size of the air-fuel mixing device, which is preferably an air duct but may also be a venturi tube. For example, in a conventional water heater, a burner having comparable combustion section capacity or combustion performance but without the benefit of natural or aspirated air draft would require a venturi tube of about 10 inches (254 mm) in length to provide sufficient mixing of fuel and air to maintain smooth, even combustion. In the present invention, the air duct preferably used is only about 4.5 inches (254 mm) in length. inches (114.3 mm), a reduction of more than fifty percent of the length of the air-fuel delivery assembly of the draftless burner of comparable burner capacity. Such a reduction is possible because the draft increases the flow of air and fuel through the combustion surface for its smooth, even combustion.

Schließlich besteht die Möglichkeit zu weiteren Einsparungen bei den Betriebskosten, bedingt durch mögliche Zunahmen des Heizwirkungsgrades dieser Heizvorrichtungen und anderer ähnlicher Vorrichtungen.Finally, there is the potential for further savings in operating costs due to possible increases in the heating efficiency of these heaters and other similar devices.

Das nachstehende Beispiel dient zur Erläuterung und ist nicht als irgendwelche Einschränkung des Umfanges der vorliegenden Erfindung bestimmt.The following example is for illustrative purposes and is not intended as any limitation on the scope of the present invention.

EXAMPLE

Das nachstehende Beispiel veranschaulicht die Ergebnisse, die mit der vorliegenden Erfindung in der ersten Ausführungsform der Erfindung, einer Anwendung auf Warmwasserbereiter, erzielbar sind. Bei diesem Beispiel ist die Brennfläche ein Gitter aus Inconel-601-Draht und hat einen Durchmesser von 168 mm (6,6 engl. Zoll) und eine Dicke von 0,36 mm (0,014 engl. Zoll). Das Luft-Brennstoff-Gemisch enthielt etwa 20% Überschußluft über der stöchiometrischen Menge. Der Verbrennungsteil war in einem Haushalt-Warmwasserbereiter von 182 Litern (40 Gallonen(UK)) angeordnet. Am Warmwasserbereiter waren drei Änderungen vorgenommen worden: (1) die Verbrennungszone, begrenzt durch die Bodenwanne, die innere Verkleidung und die Innentür, war abgedichtet, um Zusatzluft zu reduzieren; (2) eine Isoliermatte war auf die Bodenschutzplatte gelegt, um Resonanzgeräusch zu vermeiden und Wärmeverluste zu verringern, und (3) das Einbauteil im Rauchzugkamin war durch ein Einbauteil ersetzt, das auf wirkungsvolle Wärmeübertragung ohne übermäßige Luftstromverringerung ausgelegt war. In der nachstehenden Tabelle zeigen die Tests 1 und 2 Ergebnisse, die mit zwei Erdgas- Liefermengen erzielt wurden. Test 3 ist ein Duplikat des Tests 2 zum Vergleich der Ergebnisübereinstimmung. TABELLE The following example illustrates the results obtainable with the present invention in the first embodiment of the invention, an application to water heaters. In this example, the combustion surface is a grid of Inconel 601 wire and has a diameter of 168 mm (6.6 inches) and a thickness of 0.36 mm (0.014 inches). The air-fuel mixture contained about 20% excess air over the stoichiometric amount. The combustion section was located in a 182 litre (40 gallon(UK)) domestic water heater. Three changes were made to the water heater: (1) the combustion zone, bounded by the base pan, inner panel and inner door, was sealed to reduce bypass air; (2) an insulation mat was placed on the floor protection plate to prevent resonance noise and reduce heat loss, and (3) the fixture in the flue stack was replaced with a fixture designed to efficiently transfer heat without excessive airflow reduction. In the table below, Tests 1 and 2 show results obtained with two natural gas deliveries. Test 3 is a duplicate of Test 2 to compare result agreement. TABEL

(BTU = British Thermal Unit = englische Kalorie)(BTU = British Thermal Unit = English calorie)

Wenngleich bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, versteht es sich, daß von verschiedenen Abwandlungen und Neuanordnungen der Bauteile Gebrauch gemacht werden kann, ohne daß der Rahmen der offenbarten und beanspruchten Erfindung verlassen wird.Although preferred embodiments of this invention have been shown and described, it is to be understood that various modifications and rearrangements of the components may be made without departing from the scope of the invention as disclosed and claimed.

Claims

1. Gas-fired burner device (1) for generating a substantially convective heat transfer, the burner (2; 23) comprising:

- air/fuel supply means (7, 7a; 24, 24a) for receiving a stream of gaseous fuel from a source thereof and for drawing in a primary combustion air component and combining it with it to form a combustible air-fuel mixture for delivery to a plenum chamber at a plenum pressure, said air component being greater than that required for theoretically complete combustion,

- the plenum chamber (4; 27) comprises a porous combustion surface (5; 25),

- a combustion chamber (8; 26) containing the combustion surface (5; 25), which is substantially sealed to prevent the introduction of additional air and has a discharge opening (9; 31) for combustion products received from the burner, the discharge opening being an open lower end of a flue chimney (9) which extends vertically and opens into the environment at its upper end, whereby the discharge opening is in fluid communication with the environment and is designed to create a negative pressure in the combustion chamber in dependence on the flow of combustion products into the environment, which negative pressure cooperates with the plenum pressure to cause said air-fuel mixture to surface (5; 25) at a rate which is greater than the flow rate which would exist if the combustion chamber were under atmospheric pressure, whereby the surface area of the combustion surface for a given heat energy input and burner output is reduced compared to the surface area of the combustion surface which would be required for the same heat energy input and burner output if the combustion chamber were under atmospheric pressure.

2. Burner device according to claim 1, wherein the burner has a combustion temperature in the range from about 600ºC to about 900ºC.

3. Burner device according to claim 1 or claim 2, in which the combustion output is 20% to 400% above the output that would be generated in the absence of said negative pressure.

4. Burner device according to one of the preceding claims, in which the burner has a combustion output in the range of approximately 500 to 2000 MJoule/m²h.

5. Burner device according to one of the preceding claims, in which the air component is between about 110% and about 200% of that required for theoretically complete combustion.

6. Burner device according to one of the preceding claims, in which the air-fuel supply means comprise a conduit (7) having an inlet end for receiving said fuel flow and for sucking in the primary combustion air component from the ambient air, and an outlet end for discharging the combustible air-fuel mixture into the plenum chamber.

7. Burner device according to claim 6, wherein the line (7) is a venturi tube.

8. Burner device according to one of the preceding claims, in which the combustion surface (5) is aligned substantially horizontally in order to promote the uniformity of the combustion.

9. Burner device according to one of the preceding claims, in which the discharge opening of the combustion chamber is connected to an atmospheric vent opening (9) for discharging the said combustion products to the atmosphere solely as a result of their natural buoyancy.

10. Water heater (3) with a container (10) forming a water chamber and a burner device (1) arranged under the water chamber according to one of claims 1 to 9.

11. Water heater (3) according to claim 10, with a dome-shaped, upwardly concave wall (11) forming a lower end surface of the water chamber (10) and an upper surface of the burner combustion chamber (8).

12. A water heater according to claim 11, wherein the combustion products are discharged substantially continuously upwards along the concave wall (11) to the discharge opening and through the vent opening (9) to generate the said negative pressure in the combustion chamber without the need for power-driven mechanical flow generators.

13. Burner device according to one of claims 1 to 8, in which the discharge opening of the combustion chamber is connected to a space heater outlet (29) which allows circulating air together with the combustion products to flow either indirectly into a flue or directly into a room whose temperature is to be controlled.

14. Burner device according to claim 13, in which the circulating air flows past the discharge opening of the combustion chamber and draws combustion products from the combustion chamber (26) into the circulating air flow.

15. A space heater (20) comprising a housing containing a burner device according to claim 14, a bypass air duct (30) separated from the combustion chamber by a wall (33), a powered fan (22) which creates a substantial bypass flow of circulating air from an ambient air inlet through said bypass air duct to a bypass discharge nozzle (32) which creates a jet of circulating air past the discharge opening (31) of the combustion chamber to the space heater outlet (29), the jet of circulating air entraining by suction sufficient combustion products from the combustion chamber to create said negative pressure in the combustion chamber (26).

16. A space heater according to claim 15, wherein the secondary duct wall (33) has a heat exchange surface between the combustion chamber (26) and the secondary air duct, which preheats the secondary air before it reaches the said discharge nozzle.

17. Water heater (3) with a gas-fired burner device according to claim 1, comprising: a container (10) forming a vertically extending, substantially cylindrical water chamber, a dome-shaped, upwardly concave wall (11) forming the lower end of the water chamber and the upper side of the combustion chamber (8), the flue chimney (9) extending vertically along the middle of the water chamber and opening at its lower end through the middle section of the concave wall into the combustion chamber and at its upper end being open to the atmosphere above said water chamber, the plenum chamber being arranged below the combustion surface, the air-fuel supply means comprising an air duct (7) opening into the plenum chamber and a source (7a) of gaseous fuel connected to the air duct which introduces into the plenum chamber for combination a quantity of primary air sufficient to produce a to produce a greater than stoichiometric mixture, the combustion chamber is substantially sealed except at the air duct and the lower end of the flue duct so that additional combustion air does not flow into the combustion chamber, the combustion gases from the combustion of the gaseous fuel and the primary air flow substantially continuously along the concave surface (11) upwards to the flue chimney (9) and through the flue chimney to create a negative pressure in the combustion chamber without the need for powered mechanical flow generators.

18. Water heater (3) according to claim 17, wherein the dome-shaped, upwardly concave wall (11) brings the combustion gases together in the flue chimney (9), the concave wall producing a substantially convective heat transfer between the combustion gases and the water chamber.

19. Water heater (3) according to claim 17 or claim 18, wherein the combustion chamber (8) has a lower wall and an insulating layer is arranged on this lower wall to reduce noise during combustion and heat losses through this lower wall.

20. Water heater (3) according to one of claims 17 to 19, in which the air line (7) supplies the plenum chamber with at least about 120% of the amount of air required for complete combustion of the fuel.

21. Water heater (3) according to one of claims 17 to 20, in which the combustion takes place at a temperature between 600ºC and 900ºC.

22. Water heater (3) according to one of claims 17 to 21, in which the air line is a venturi tube (7).

23. A space heating furnace comprising: a burner having a porous combustion surface (25), a combustion chamber (26) above the combustion surface which is substantially sealed to prevent the inflow of additional air, a fuel-air plenum (27) below the combustion surface, a source (24a) of gaseous fuel, an air line (24) for supplying the fuel to the plenum and, depending on the fuel flow, for producing in the plenum an air-fuel mixture containing an amount of air greater than that required for complete combustion of the fuel, a secondary air duct (30) separated from the combustion chamber (26) by a wall (33), a power-driven fan (22) for producing a substantial secondary air flow from an ambient air inlet through the secondary duct to a secondary discharge nozzle (32) and for producing an air jet directed into a furnace discharge opening (29), the wall (33) forming a heat transfer surface between the combustion chamber and the secondary air duct which causes preheating of the secondary air before it reaches the nozzle (32), the combustion chamber (26) having an outlet (31) which is open to the secondary air jet, the duct (30) and the discharge nozzle (32) being designed so that in operation, when ambient air from the Blower (22) flows through the channel (30), it is pressed through the discharge nozzle (32), whereby a downwardly directed air jet of increased speed is generated, which flows past the discharge opening (31) of the combustion chamber (26) and thus entrains combustion products by suction and creates negative pressure in the chamber (26), whereby this secondary air jet also mixes sufficient secondary air with the combustion gases in order to bring about a safe temperature for the resulting mixture flowing through the furnace discharge opening (29), whereby the negative pressure in the combustion chamber (26) leads to an increase in the pressure drop at the combustion surface (25), which causes the air-fuel mixture flowing through the burner to be greater than if atmospheric or higher pressure prevails in the combustion chamber, whereby the surface area of the combustion surface at a given heat energy input and burner output is reduced in comparison with the surface area of the combustion surface that would be required for the same heat energy input and burner output in a combustion chamber under atmospheric pressure.

24. A space heater (20) according to claim 23, wherein the heater discharge opening (29) is arranged at a lower height than the burner (23).

25. A space heater (20) according to claim 24, wherein the wall (33) extends around the combustion chamber to the combustion chamber outlet.

26. A method of operating a gas-fired burner device (1; 23) to produce a substantially convective heat transfer, comprising the steps of: using a fuel supply device (7a; 24a) to supply a flow of gaseous fuel, sucking in and combining primary combustion air in an air line (7; 24) in response to the fuel flow to form a combustible air-fuel mixture for delivery to a plenum chamber (4; 27) at a plenum pressure, the air component being greater than that required for theoretically complete combustion, passing the air-fuel mixture through a porous combustion surface (5; 25) of the plenum chamber and into a combustion chamber (8; 26) which is substantially sealed to prevent the inflow of additional air, burning the air-fuel mixture at or near the combustion surface in the combustion chamber, and removing the Combustion products from the combustion chamber to enter the combustion chamber, causing the air-fuel mixture under the influence of this negative pressure and the plenum pressure to flow through the combustion surface at a rate greater than the flow rate that would exist with the combustion chamber at atmospheric pressure for a given thermal energy input and burner output, thereby reducing the surface area of the combustion surface for a given thermal energy input and burner output compared to the surface area of the combustion surface that would be required for the same thermal energy input and burner output if the combustion chamber were at atmospheric pressure.

27. The method of claim 26 including operating the burner at a combustion temperature in the range of about 600°C to about 900°C.

28. A method according to claim 26 or claim 27, including operating the burner at a combustion output of 20% to 400% above the output that would be produced in the absence of the negative pressure.

29. A method according to claim 28, including operating the burner at a combustion output in the range of about 500 to 2000 MJoule/m² h.

30. A method according to any one of claims 26 to 29, wherein the air component is in the range of about 110% to about 200% of that required for theoretically complete combustion.

31. A method according to any one of claims 26 to 30, including the step of removing the combustion products from the combustion chamber through an atmospheric vent (9) solely as a result of its natural buoyancy.

32. A method according to any one of claims 26 to 30, including the step of removing the combustion products from the combustion chamber by sucking in and entraining the combustion products in a circulating air stream.