EP0062797B1

EP0062797B1 - Verfahren zum Betrieb eines einem Luftstrom ausgesetzten Gasbrenners sowie Brenner zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: EP0062797B1
Application number: EP82102431A
Authority: EP
Inventors: Hans Dipl.-Ing. Sommers; Hans Berg; Theo Dipl.-Phys. Jannemann
Original assignee: Ruhrgas AG
Current assignee: EOn Ruhrgas AG
Priority date: 1981-04-03
Filing date: 1982-03-24
Publication date: 1985-09-11
Also published as: EP0062797A1; DE3113416C2; CA1192829A; US4457704A; DE3113416A1; ATE15536T1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines einem Luftstrom ausgesetzten Brenners, der aus mindestens einer Gasdüse, mindestens einem konischen Mischrohr, einer Brennerplatte und Strömungsführungsblechen für den das Gehäuse durchströmenden Luftstrom besteht, sowie in einem schachtförmigen Gehäuse angeordnet ist und dessen Abgase mit dem Luftstrom gemischt werden, sowie einen Brenner zur Durchführung des Verfahrens.
Der Luftstrom, dessen Einflüssen der Brenner ausgesetzt ist, kann z. B. durch ein Gebläse oder den Zug eines Kamines verursacht werden.
Bei Wäschetrocknern für Haushalt und Gewerbe, beim Erwärmen von Raumluft mit sog. Make-up-air-Geräten oder bei Umluftbacköfen dienen Gasbrenner zur direkten Erhitzung eines Gebläseluftstromes durch Mischen der Brennerabgase mit dem Luftstrom.
Dieses direkte Erhitzen eines Luftstromes ist energetisch sehr vorteilhaft, weil auf diese Weise der gesamte Wärmeinhalt des Abgases genutzt und damit der Brennstoff optimal verwertet wird. Da jedoch die Abgase der bisher verwendeten Vormischbrenner systembedingt einen relativ hohen Schadstoffanteil, insbesondere NO_x-Gehalt aufweisen, der sich negativ auf das mit dem Gebläseluft-Abgas-Gemisch in Kontakt kommende Gut auswirken könnte, ist das Anwendungsgebiet der Direktheiz-Brenner eingeschränkt.
Den bisher verwendeten Vormischbrennern wird nur ein Teil der für die Verbrennung benötigten Luft durch Injektorwirkung des Gases durch das Mischrohr zugeführt. Die restliche für eine vollständige Verbrennung benötigte Luft diffundiert in die entstehenden Flammen. Wenn diese Brenner direkt in einem Gebläseluftstrom angeordnet sind, können sie nur bei einem bestimmten Durchsatz an Gebläseluft und in den meisten Fällen nur bei einer bestimmten Brennerwärmebelastung betrieben werden. Temperaturänderungen des Gebläseluftstromes durch Änderung der Brennerwärmebelastung oder Änderung der Gebläseluftmenge sind nur in einem engen Bereich möglich, weil sich dadurch die Flammenstabilität verändert, so daß die Gefahr besteht, daß der Brenner unhygienisch, d. h. mit unvollständiger Verbrennung arbeitet oder daß die Flammen erlöschen.
Ein Rückstau der Gebläselust hinter dem Brenner, bedingt durch Hindernisse im Luftweg, z. B. die zu trocknende Wäsche, wirkt sich ebenfalls stark störend auf den Betrieb der Brenner aus.
Durch die DE-A-2 348 953 ist ein Brenner für Fahrzeugheizungen bekanntgeworden, bei dem eine Brenngaszuführung in der Engstelle eines Venturirohres angeordnet ist. Ein erster zur Verbrennung erforderlicher Luftanteil wird an der Engstelle des Venturirohres mit aus Düsenöffnungen ausströmendem Brenngas vermischt. Ein zweiter zur Verbrennung erforderlicher Luftanteil wird an dem Venturirohr vorbeigeleitet und fließt in Strömungsrichtung gesehen hinter der Brennerplatte vom äußeren Umfang her in den Verbrennungsprozeß ein. Eine Steuerung dieses Brenners erfolgt durch eine Veränderung des ersten Luftanteils bei konstantem Gesamtluftstrom. Es ändert sich damit der Einfluß des zweiten Luftanteils an der Verbrennung. Auch sind durch die Änderung des Luftverhältnisses die Druckverhältnisse bei unterschiedlichen Brennerwärmebelastungen in den einzelnen Abschnitten des Brenners verschieden, so daß sich nur bei einer einzigen Wärmbelastungseinstellung optimale Verbrennungsverhältnisse ergeben können.
Will man diese Nachteile vermeiden, muß der Brenner außerhalb des Gebläseluftstromes angeordnet sein, mit dem neuen Nachteil, daß die vom Brennergehäuse abgestrahlte Wärme nicht zur Erhitzung des Luftstromes beiträgt. Der im Brennstoff enthaltene Wärmeinhalt kann also nicht vollständig zur Erwärmung des Luftstromes ausgenutzt werden. Außerdem muß für den Brenner außerhalb des Gebläseluftschachtes Platz zur Verfügung stehen, was oftmals, insbesondere bei Haushaltsgeräten, Probleme mit sich bringt.
Für Brenner, die nicht im Einflußbereich eines Luftstromes bzw. Gebläses angeordnet sind, ist zwar bekanntlich ein schadstoffarmes Abgas dadurch zu erreichen, daß dem Brenner die gesamte benötigte Verbrennungsluft vor der Verbrennung, z. B. durch Selbstansaugung mit Hilfe des Gasimpulses, zugeführt wird. Da diese überstöchiometrisch vormischenden Brenner bisher nicht in einem durch äußeren Druck oder Sog beeinflußten Luftstrom betrieben werden können, insbesondere dann nicht, wenn sowohl die Brennerbelastung als auch die Luftmenge variabel sein sollen, gelten für sie ebenfalls die im vorherigen Absatz aufgezählten Nachteile.
Bei atmosphärischen Brennern (d. h. Brennern ohne Gebläse), die einem Kaminzug ausgesetzt sind, z. B. in Gaswasserheizern mit direktem Kaminanschluß, verändert sich die Menge der Luft, die am Brenner entlangströmt bzw. die Luftmenge, die in den Ansaugbereich des bzw. der Injektoren gelangt, mit der Größe des Kaminzuges, der sich u. a. durch atmosphärische Einflüsse ändert. Die Folge ist, daß die Luftzahl des Brenners schwankt, was entweder eine unvollständige Verbrennung oder eine Wirkungsgradverschlechterung zur Folge hat. Es gibt zwar Möglichkeiten, die am Brenner entlangströmende Luftmenge vom Kaminzug unabhängig zu machen, z. B. durch Steuerung bzw. Regelung der Luftmenge mit Hilfe der in der nicht vorveröffentlichten DE-A-3 010 014 beschriebenen Luftklappen. Jedoch sind diese Maßnahmen konstruktiv aufwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren und einen Gasbrenner zur Durchführung des Verfahrens, mit dem ein schadstoffarmes, insbesondere NO_x-armes Abgas erzeugt wird, so zu verbessern, daß unabhängig von der Wärmebelastung des Brenners sowie von der Strömungsgeschwindigkeit bzw. vom Durchsatz der Luft im Gehäuse eine optimale Verbrennung und Nutzung des Wärmeinhaltes des Brennstoffes erreicht wird.
Dabei soll der Brenner möglichst kompakt und konstruktiv einfach aufgebaut sein und eine hohe Wärmebelastung erlauben, die in einem großen Bereich veränderbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und den Brenner gemäß Anspruch 2.
Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, die Wirkung der Luftströmung auf den Brennerbetrieb auszuschalten und gleichzeitig die Möglichkeit zu schaffen, die gesamte benötigte Verbrennungsluftmenge vor der Verbrennung aus dem Luftstrom zu entnehmen. Das wird dadurch erreicht, daß bei dem erfindungsgemäßen Brenner zur Durchführung des Verfahrens einerseits die Gasdüse und der Mischrohreintritt sowie die Flammen an der Brennerplatte vor einem unmittelbaren Zutritt von Luft geschützt sind, und andererseits dadurch, daß die Strömungsquerschnitte für die Luft gleichgroß und damit die Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Bereich der Strömungsführungsbleche nahezu gleich gehalten werden. Durch die zuletzt genannte Maßnahme wird erreicht, daß innerhalb der Strömungsführungsbleche, d. h. sowohl in der Umgebung des Mischrohreintritts als auch auf der Flammenseite der Brennerplatte bzw. am Abgaseintritt in den Luftstrom - unabhängig vom Luftstrom - der gleiche Druck herrscht.
Der Brenner kann also völlig unabhängig von der Menge bzw. Strömungsgeschwindigkeit der ihn umströmenden Luft arbeiten. Änderungen des Mengendurchsatzes der Luft sowie Stauungen hinter dem Brenner haben keinerlei Wirkung auf die vom Brenner angesaugte Luftmenge und infolgedessen auf die Flammenstabilität und den Ausbrand. Infolgedessen kann der erfindungsgemäße Brenner in einem großen Wärmebelastungsbereich betrieben werden, ohne daß sich die Luftzahl und damit die Flammenstabilität verändert.
Der Brenner besitzt eine sich an das Mischrohr anschließende Brennerplatte aus gut wärmeleitendem Material, die eine Vielzahl von Gemischdurchtrittsöffnungen aufweist, mindestens 4 Öffnungen pro cm², die über den gesamten Brennerplattenquerschnitt verteilt sind.
Insbesondere bei Brennern hoher Leistung befinden sich am Umfang der Brennerplatte mehrere Kühlrippen aus gut wärmeleitendem Material, die in den Luftstrom hineinragen und Wärme von der Brennerplatte an die Luft abführen oder eine wasserdurchflossene Kühlschlange, so daß die Brennerplattentemperatur nahezu konstant bleibt.
Bedingt durch die vollständige Vormischung des Brenngases mit einer größeren als der zur vollständigen Verbrennung benötigten Luftmenge ist der NOX-Gehalt des Brennerabgases außerordentlich gering, weil die Flammentemperatur homogen und geringer ist als bei Brennern, bei denen nur ein Teil der benötigten Verbrennungsluft mit dem Gas vorgemischt wird. Bei Anwendungsfällen, bei denen das Abgas zur direkten Erhitzung des Luftstromes dient, besteht die Gefahr einer möglichen Schädigung des mit dem Abgas bzw. dem Abgas-Luft-Gemisch in Kontakt kommenden Gutes bzw. von Personen daher nicht. Weil der Brenner direkt im Luftstrom angeordnet ist, trägt die vom Brennergehäuse abgestrahlte Wärme zur Erhitzung des Luftstromes bei, so daß praktisch der gesamte Wärmeinhalt des Brenngases zur Erwärmung des Luftstromes dient.
Das erfindungsgemäße Verfahren, vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes und deren Wirkungsweisen werden anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen nachstehend näher erläutert. Es zeigt schematisch

Fig. 1 einen Axialschnitt eines erfindungsgemäßen Brenners,
Fig. 2 eine Hälfte des Schnittes A-B in Fig. 1,
Fig. 3 den Axialschnitt einer anderen Brennerausführung und -anordnung.

In allen Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform kann z. B. in einem Haushaltswäschetrockner verwendet werden. Der Brenner ist konzentrisch in dem zylindrischen, waagerecht liegenden schachtförmigen Gehäuse 1 angeordnet, das von der zu erhitzenden Trockenluft durchströmt wird, die von einem nicht dargestellten Gebläse gefördert wird.
Der Brenner besteht im wesentlichen aus der Gasdüse 2 und dem konischen Mischrohr 3 mit der Eintrittsöffnung 8, an das sich die Brennerplatte 4 anschließt. Die aus gut wärmeleitendem Material z. B. Kupfer bestehende Brennerplatte 4 besitzt bei einer Nennwärmebelastung von 5 kW etwa 500 Gemischdurchtrittsöffnungen 14, die gleichmäßig über den gesamten Brennerplattenquerschnitt von ca. 50 cm² verteilt sind. Die Bohrungen, deren Durchmesser etwa 2 mm beträgt, erweitern sich zur Flammenseite hin geringfügig, um ein gutes Ausströmverhalten zu gewährleisten. Die Wärmebelastung der Brennerplatte ist so groß, daß die Platte, um ihre Überhitzung und damit eine Veränderung der Luftzahl oder ein Rückschlagen der Flammen zu verhindern, gekühlt werden muß. Am Umfang der Brennerplatte befinden sich daher acht ebenfalls aus gut wärmeleitendem Material bestehende Kühlrippen 7, die in den Luftstrom hineinragen und die Brennerplattenwärme an die Luft übertragen. Die Brennerplattentemperatur wird dadurch auch bei Veränderungen der Brennerbelastung nahezu konstant gehalten. - Andere als die dargestellten Ausführungsformen der Kühlrippen sind ebenfalls möglich. Beispielsweise kann die Brennerplatte einschließlich der Kühlrippen aus einem Teil gegossen werden. - Die Gasdüse 2 und der untere Teil des Mischrohres 3 sind von dem Strömungsführungsblech 5 umgeben, das aus einem halbkugelförmigen unteren Teil und einem sich anschließenden Zylindermantel besteht. Ein weiteres zylindrisches Strömungsführungsblech 6, dessen Länge etwa der dreifachen Flammenlänge entspricht, schließt sich an die Brennerplatte 4 an. Der Durchmesser beider zylindrischer Strömungsführungsbleche 5 und 6 ist gleich dem Durchmesser der Brennerplatte 4, so daß der freie Strömungsquerschnitt für die Gebläseluft - der von den Strömungsführungsblechen 5, 6 und der Wand des Gehäuses 1 gebildet wird - gleich und damit deren Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Strömungsführungsbleche etwa gleich groß ist. Auf diese Weise wird der Einfluß der Gebläseluft auf den Brenner ausgeschaltet. Es ist deshalb möglich, die Wärmebelastung des Brenners völlig unabhängig vom Gebläseluftstrom bis auf weniger als 50% seiner Nennwärmebelastung zu drosseln.
Mit Hilfe des Impulses des in das Mischrohr eintretenden Gasstrahles wird die gesamte an der Verbrennung beteiligte Luft quer zur Strömungsrichtung des Luftstromes angesaugt. Eine größere als die für eine vollständige Verbrennung benötigte Luftmenge sowie das Brenngas gelangen über das Mischrohr 3, in dem die Vormischung stattfindet, zur Brennerplatte 4, hinter der das Gas in Form von sehr kurzen Flammen verbrennt. Eine genügend große Luftzufuhr wird bekanntermaßen z. B. dadurch gewährleistet, daß der engste Durchmesser des Mischrohres - das einen Offnungswinkel von ca. 4° -5° haben sollte - bei Verbrennung von Erdgas etwa das fünfzehnfache des Gas-Düsendurchmessers beträgt. Das Mischrohr erweitert sich anschließend bis auf den Durchmesser der Brennerplatte 4, an der es mündet. Unmittelbar vor der Brennerplatte ist das Mischrohr 3 zur besseren Durchmischung des Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisches ein kurzes Stück zylindrisch ausgeführt. - Die Luftzahl des Brenners beträgt bei einer Nennwärmebelastun^g von 5 kW bei Einsatz von Erdgas, je nach Heizwert etwa 1,05 bis 1,35.
Der Querschnitt des schachtförmigen Gehäuses 1, der Brennerteile und der Strömungsführungsbleche kann von der im vorstehenden Beispiel beschriebenen Form abweichen. Insbesondere kann das Gehäuse einen beispielsweise rechteckigen oder sich konisch erweiternden Querschnitt aufweisen. Im erstgenannten Fall kann die äußere Form der Brennerplatte und der Führungsbleche der Form des Gehäuses entsprechend ebenfalls rechteckig ausgeführt werden; eine zylindrische Ausführung ist jedoch ebenfalls möglich. Wenn sich der Durchmesser des Gehäuses im Bereich des Brenners ändert, muß der Durchmesser der Strömungsführungsbleche sich entsprechend ändern und z. B. bei konischer Erweiterung einen größeren Öffnungswinkel bilden als der Luftschacht, da andernfalls die Bedingung der gleichen Strömungsquerschnitte für die Gebläseluft nicht erfüllt wäre. Das schachtförmige Gehäuse muß nicht wie im vorstehenden Beispiel waagerecht liegen, sondern kann je nach dem zur Verfügung stehenden Platz beliebig angeordnet sein.
Da das Abgas nur über den Gebläseluftstrom abgeführt werden kann, ist eine Strömungsüberwachung für den Gebläseluftstrom erforderlich, die unterhalb einer Mindestluftströmung den Brenner abschaltet.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten direkt an einen Abgaskamin 11 angeschlossenen Gaswasserbeheizer (ohne Strömungssicherung) geht die Gebläsewirkung vom Auftrieb bzw. Zug der Abgase im Kamin aus. In diesem Fall sind zwei Gasdüse/ Mischrohrsysteme 2, 3 vorhanden, die eine gemeinsame Brennerplatte beaufschlagen. Die Brennerplatte 4 wird ebenfalls aufgrund der großen Flächen-Wärmebelastung gekühlt und zwar mit Hilfe der am Brennerplattenrand befestigten Kühlschlange 13, durch die bereits erhitztes Brauch- oder Heizungswasser als Kühlmedium fließt.
Das Strömungsblech 6 verbindet den Brenner mit dem Wärmetauscher 10 und ist gleichzeitig die seitliche Begrenzung der Brennkammer 12. Auch hier wird durch die Strömungsführungsbleche 5 und 6 die Ausbildung eines Differenzdruckes zwischen dem Mischrohreintritt 8 und dem Abgasaustritt 9 in den Luftstrom - hier hinter dem Wärmetauscher 10 - verhindert. Bei senkrecht stehender Anordnung des Gaswasserheizers entsteht in der Brennkammer ein Auftrieb, der sich nur auf die Brenneroberfläche, nicht aber auf die Luftzufuhr zu den Injektoren auswirkt und damit bei wechselnder Belastung die Luftzahl beeinflußt. Dieser Auftrieb kann entweder durch waagerechte Anordnung des Gaswasserheizers verhindert werden oder aber durch Maßnahmen, wie sie z. B. in der nicht vorveröffentlichten DE-A-3 018 752 genannt sind, kompensiert werden.
Das Gehäuse 1 bildet gemeinsam mit den erfindungsgemäßen Strömungsführungsblechen 5 und 6 einen konstanten freien Strömungsquerschnitt für die Luft. Eine größere als die zur vollständigen Verbrennung benötigte Luftmenge wird entsprechend der Erfindung mit Hilfe der aus den Gasdüsen 2 austretenden Gasstrahlen quer zur Strömungsrichtung der Luft völlig unabhängig von dem wechselnden Kaminzug angesaugt.
Bei einem derart ausgebildeten Gaswasserheizer kann auf die sonst notwendige Strömungssicherung verzichtet werden, wodurch deren negative Auswirkungen, insbesondere der Abgasaustritt in den Aufstellungsraum, vermieden wird. Eine Strömungsüberwachung des Luftstromes ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel erforderlich.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb eines einem Luftstrom ausgesetzten Brenners, der aus mindestens einer Gasdüse (2), mindestens einem konischen Mischrohr (3), einer Brennerplatte (4) und Strömungsführungsblechen (5, 6), für den das Gehäuse durchströmenden Luftstrom besteht sowie in einem schachtförmigen Gehäuse (1) angeordnet ist und dessen Abgase mit dem Luftstrom gemischt werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine größere als die entsprechend der jeweiligen Wärmebelastung benötigte Verbrennungsluftmenge durch den Impuls des aus der Gasdüse (2) in das Mischrohr (3) strömenden Brenngases quer zur Strömungsrichtung der Luft aus dem Luftstrom angesaugt und daß die Ausbildung eines Differenzdruckes zwischen Mischrohreintritt (8) und Abgasaustritt (9) in den Luftstrom mit Hilfe der Strömungsführungsbleche (5, 6) verhindert wird.

2. Brenner zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei dem die sich an das Mischrohr anschließende Brennerplatte (4) aus gut wärmeleitendem Material besteht und eine Vielzahl von Gemischdurchtrittsöffnungen (14) aufweist, die über den gesamten Brennerplattenquerschnitt verteilt sind, und bei dem ein Strömungsführungsblech (5) mindestens im Bereich der Gasdüse (2) angeordnet ist, während ein weiteres Strömungsführungsblech (6) die Flammenzone hinter der Brennerplatte umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerplatte (4) mindestens vier Gemischdurchtrittsöffnungen (14) pro cm² aufweist und daß das im Bereich der Gasdüse (2) angeordnete Strömungsführungsblech (5) mindestens die Gasdüse und den unteren Teil des Mischrohres (3) umgibt, wobei die Strömungsführungsbleche (5, 6) gemeinsam mit den Wänden des Gehäuses (1) einen gleichgroßen freien Strömungsquerschnitt für den Luftstrom bilden.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich am Umfang der Brennerplatte (4) mehrere Kühlrippen (7) aus gut wärmeleitendem Material befinden, die in den Luftstrom hineinragen.

4. Brenner für Gaswasserheizer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich am Umfang der Brennerplatte (4) eine wasserdurchflossene Kühlschlange (13) befindet.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerplatte (4) rund ausgeführt ist, und daß das Strömungsführungsblech (5) im Bereich der Gasdüse (2) und der Eintrittsöffnung (8) des Mischrohres (3) als Halbkugel oder Kegel mit sich anschließendem Zylindermantel und das Strömungsführungsblech (6) im Bereich der Verbrennungszone als sich an die Brennerplatte (4) anschließender Zylindermantel ausgeführt sind, wobei der Durchmesser beider zylindrischer Strömungsführungsbleche (5, 6) jeweils dem Durchmesser der Brennerplatte (4) entspricht.

6. Brenner nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Strömungsführungsbleches (6) im Bereich der Flammenzone etwa das zwei- bis siebenfache, vorzugsweise etwa das drei- bis fünffache, der Flammenlänge beträgt.