EP0495358B1 - Stellorgan für die zweistufige Leistungsregelung von Gas-Gebläsebrenner - Google Patents

Stellorgan für die zweistufige Leistungsregelung von Gas-Gebläsebrenner Download PDF

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EP0495358B1
EP0495358B1 EP92100080A EP92100080A EP0495358B1 EP 0495358 B1 EP0495358 B1 EP 0495358B1 EP 92100080 A EP92100080 A EP 92100080A EP 92100080 A EP92100080 A EP 92100080A EP 0495358 B1 EP0495358 B1 EP 0495358B1
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chamber
gas
chamber wall
orifices
burner
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EP0495358A2 (de
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Theo Dipl.-Phys. Jannemann
Hans Berg
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EON Ruhrgas AG
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Ruhrgas AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/60—Devices for simultaneous control of gas and combustion air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/62—Mixing devices; Mixing tubes

Definitions

  • the invention relates to an actuator for the two-stage power control of gas forced draft burners, the burner being preceded by a mixer with a chamber into which an air supply and a fuel gas supply for mixture formation open in the chamber and from which several mixing holes in a chamber wall designed as a hole mixer Guide the mixture to the mixer.
  • fan burners are used, in which, in contrast to atmospheric gas burners, whose flame that can be regulated with an actuator in the gas supply is formed in a combustion chamber that is open to the surroundings of the gas heater and the combustion air is generated automatically from the surroundings of the gas heater sucked in, the combustion takes place in a closed combustion chamber and the combustion air required for the combustion is blower-assisted and fed to the formation of flames.
  • Premixed forced draft burners are known for this purpose, in which the combustion air conveyed by the burner fan is combined with the gas and mixed before the flame is formed.
  • control devices are known with which the amount and also the mixing ratio of a mixture of gas and air flowing from the control device can be modulated by changing an air control cross section and a gas control cross section .
  • Such control devices are for gas boilers of ordinary building central heating systems, the nominal heat output is only in the range of 10 to 40 kW, too complex and too expensive.
  • gas heaters with a forced draft burner it has hitherto usually been sufficient in practice to switch on and off the forced draft burner in interval operation to increase the heat generation capacity of the burner combustion.
  • B. adapt climate-related heat demand.
  • this single-stage power control has several disadvantages.
  • the invention has set itself the task of creating a simple and inexpensive actuator, with which a premixing forced draft burner can be operated and regulated in two stages by simultaneous adjustment of air and fuel gas with the mixing ratio being as constant as possible.
  • the conventional hole mixer is supplemented with simple and inexpensive means to form an actuator with which the burner firing can be reduced from full load operation to a predetermined part load operation in the event of a lower heat requirement, in order to thereby switch on and switch off operations disadvantageous in the interval operation of the single-stage power control Reduce frequency and extend the duration of the switch-on phases compared to the duration of the switch-off phases.
  • the line pressure with which the gas normally flows to a gas forced-air burner is considerably higher than the air pressure usually generated by the fan of the forced-air burner, and is therefore achieved with the design of the actuator according to the invention that the pressure in the partial load position of the Actuating throttling of the emerging mixture amount, which due to the different ratios in the air supply and in the fuel gas supply mainly affects the amount of air flowing into the chamber, does not lead to a deterioration of the desired mixing ratio of air and gas, but that through a suitable calibration of the Gas nozzle bore and by simultaneously shutting off the additional gas quantity outlet of the gas nozzle in the partial load position of the actuator, the amount of gas flowing into the chamber is reduced so that a mixture with the desired is also in the partial load position s, e.g. B. compared to the full load essentially unchanged mixing ratio.
  • the actuator is formed by a so-called hole mixer, which is connected upstream of a forced draft burner (not shown) and contains a chamber 1, into which an air supply 2 and a fuel gas supply 3 open. A mixture of the combustion air flowing in to the chamber 1 and the fuel gas flowing in through normal line pressure takes place in the chamber 1.
  • the chamber 1 has a chamber wall 4 which is formed with a plurality of mixing holes 5 arranged in a circle. The mixing holes 5 bring about an intimate mixing of the gas-air mixture formed in the chamber 1 and lead this mixture, which is premixed more than stoichiometrically with a predetermined excess air ratio, to the mixture outlet of the mixer or to the burner head of the gas-blown burner.
  • the confluence of the fuel gas supply 3 is formed by a gas nozzle 6, which has a plurality of nozzle bores 7, which continuously open into the chamber 1.
  • the gas nozzle 6 has an additional gas quantity outlet 8.
  • the chamber 1 contains a throttle element 9, which is designed as a disk and is adjustable relative to the perforated chamber wall 4, namely by raising and lowering it in a cylinder-like part of the chamber 1.
  • the throttle disk 9 has throttle openings 10 which are smaller in cross section than the mixing holes 5 of the chamber wall 4. In the raised full load position, the throttle disc 9 releases the mixing holes 5 of the chamber wall 4. In the partial load position placed on the chamber wall 4, the throttle disc 9 closes the cross section of the mixing holes 5 except for the smaller cross section of their throttle openings 10.
  • the throttle disc 9 additionally has a larger central opening 11 through which the gas nozzle 6 protrudes through, or between the throttle openings 10 lying openings 12. These additional passage openings 11 and 12 are closed in the partial load position of the throttle disk 9 placed on the chamber wall 4 from closed areas of the chamber wall 4 lying outside the mixing holes 5.
  • the throttle disc 9 is raised to the full load position in a simple manner by switching on an electric solenoid 13, the throttle disc 9 is lowered to the partial load position for the two-stage power control of the gas blower burner when the solenoid 13 is switched off by the force of a compression spring 14
  • Throttle disk 9 is coupled to a plunger 14 which can be raised and lowered together with the throttle disk 9 and which cooperates with the gas nozzle 6 as a shut-off device.
  • the additional gas volume outlet 8 of the gas nozzle 6 which is open in the raised full load position of the throttle disc 9 and together with the nozzle bores 7 allows a gas quantity to emerge which, with the air flowing into the chamber 1, gives the mixture with the desired mixing ratio, is applied to the chamber wall 4 attached partial load position of the throttle disc 9 closed by the stamp 14.
  • a throttled gas quantity can only flow into the chamber 1 through the nozzle bores 7.
  • the throttled gas quantity flowing into the chamber 1 in the partial load position of the throttle disc 9 results in the reduced amount of air which, in the partial load position of the throttle disc 9, is only fan-assisted by the air supply 2 due to the throttled mixture outlet from the chamber 1 flows into chamber 1, again a mixture with the desired mixing ratio.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Stellorgan für die zweistufige Leistungsregelung von Gas-Gebläsebrennern, wobei dem Brenner ein Mischer mit einer Kammer vorgeschaltet ist, in die eine Luftzufuhr und eine Brenngaszufuhr zur Gemischbildung in der Kammer einmünden und von der mehrere Mischlöcher in einer als Lochmischer ausgebildeten Kammerwand zum Gemischaustritt des Mischers führen.
  • Beispielsweise für leistungsstärkere Gasheizkessel von Gebäude-Warmwasserheizungsanlagen werden Gebläsebrenner angewendet, bei denen zum Unterschied von atmosphärischen Gasbrennern, deren mit einem Stellglied in der Gaszufuhr regelbare Flamme in einem zur Umgebung des Gasheizgerätes offenen Verbrennungsraum gebildet wird und sich die Verbrennungsluft von selbst aus der Umgebung des Gasheizgerätes ansaugt, die Verbrennung in einer geschlossenen Brennkammer stattfindet und die für die Verbrennung benötigte Verbrennungsluft gebläseunterstützt gefördert und der Flammenbildung zugeführt wird. Hierfür sind vormischende Gebläsebrenner bekannt, bei denen die von dem Brennergebläse geförderte Verbrennungsluft vor der Flammenbildung mit dem Gas zusammengeführt und vermischt wird. Beispielsweise aus der DE-OS 35 26 608 oder der DE-OS 36 11 909 sind Regelvorrichtungen bekannt, mit denen durch Veränderung eines Luftregelquerschnitts und eines Gasregelquerschnitts die Menge wie auch das Mischungsverhältnis eines aus der Regelvorrichtung weiterströmenden Gemisches aus Gas und Luft modulierend geregelt werden kann. Derartige Regelvorrichtungen sind für Gasheizkessel von gewöhnlichen Gebäudezentralheizungsanlagen, deren Nennwärmeleistung nur etwa im Bereich von 10 bis 40 kW liegt, zu aufwendig und zu kostspielig. Bei solchen oder ähnlichen Gasheizgeräten mit einem Gebläsebrenner hat man sich bisher in der Praxis meist damit begnügt, durch Einschalten und Ausschalten des Gebläsebrenners im Intervallbetrieb die Wärmeerzeugungsleistung der Brennerfeuerung dem z. B. klimabedingten Wärmebedarf anzupassen. Diese einstufige Leistungsregelung hat allerdings verschiedene Nachteile. In den Abschaltphasen des Intervallbetriebes, die meistenteils länger sind als die Einschaltphasen, entstehen die Bereitschaftsverluste. Es kommt zu einer Abkühlung der von der Brennerfeuerung beaufschlagten, bei einem Heizkessel für Zentralheizungsanlagen wassergekühlten Kesselheizflächen, und bei den häufigen Einschaltvorgängen des Intervallbetriebes kommen die Heizgase der Brennerfeuerung mit abgekühlten Kesselheizflächen in Berührung und können nachteilige Kondensationserscheinungen an den Kesselheizflächen vorkommen. Ungünstig beim Intervallbetrieb ist weiterhin, daß gerade bei dem häufigen Einschalten bzw. Anfahren der Brennerfeuerung die Schadstoffemission in den Abgasen der Brennerfeuerung größer ist als beim Dauerbetrieb der Brennerfeuerung.
  • Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, ein möglichst einfaches und preisgünstiges Stellorgan zu schaffen, mit dem durch eine gleichzeitige Verstellung von Luft und Brenngas bei möglichst gleichbleibendem Mischungsverhältnis ein vormischender Gebläsebrenner zweistufig in seiner Leistung betrieben und geregelt werden kann.
  • Ausgehend von einem in der einleitenden Gattungsbezeichnung erwähnten sogenannten Lochmischer, wie er z. B. in dem DE-GM 86 05 654 beschrieben wird, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 ausgebildetes Stellorgan gelöst.
  • Auf diese Weise wird der herkömmliche Lochmischer mit einfachen und billigen Mitteln zu einem Stellorgan ergänzt, mit dem bei einem niedrigeren Wärmebedarf die Brennerfeuerung von Vollastbetrieb auf einen vorbestimmten Teillastbetrieb zurückgefahren werden kann, um dadurch die beim Intervallbetrieb der einstufigen Leistungsregelung nachteiligen Einschalt- und Ausschaltvorgänge in der Häufigkeit zu verringern und die Dauer der Einschaltphasen gegenüber der Dauer der Ausschaltphasen zu verlängern. Durch eine einfache Veränderung der den Mischer zum Gebläsebrenner verlassenden Gemischmenge wird eine gemeinsame Verstellung der gebläseunterstützt dem Mischer zugeführten Luft und des mit üblichem Leitungsdruck dem Mischer zuströmenden Gases bewirkt und auf einfachste Weise eine zweistufige Leistungsregelung des Gebläsebrenners ermöglicht. Hierbei wird berücksichtigt, daß der Leitungsdruck, mit dem das Gas normalerweise einem Gas-Gebläsebrenner zuströmt, erheblich höher ist als der von dem Gebläse des Gebläsebrenners üblicherweise erzeugte Luftdruck, und wird also mit der erfindungsgemäßen Ausbildung des Stellorgans erreicht, daß die in der Teillaststellung des Stellorgans stattfindende Drosselung der austretenden Gemischmenge, die sich wegen der unterschiedlichen Verhältnisse in der Luftzufuhr und in der Brenngaszufuhr hauptsächlich auf die in die Kammer einströmende Luftmenge auswirkt, nicht zu einer Verschlechterung des gewünschten Mischungsverhältnisses von Luft und Gas führt, sondern daß durch eine geeignete Kalibrierung der Gasdüsenbohrung und durch die in der Teillaststellung des Stellorgans gleichzeitig erfolgende Absperrung des Zusatzgasmengenaustrittes der Gasdüse auch die in die Kammer einströmende Gasmenge so reduziert wird, daß auch in der Teillaststellung ein Gemisch mit dem gewünschten, z. B. gegenüber der Vollaststellung im wesentlichen unveränderten Mischungsverhältnis entsteht.
  • In der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stellorgans dargestellt.
  • Das Stellorgan wird von einem sogenannten Lochmischer gebildet, der einem nicht dargestellten Gebläsebrenner vorgeschaltet ist und eine Kammer 1 enthält, in die eine Luftzufuhr 2 und eine Brenngaszufuhr 3 einmünden. In der Kammer 1 findet eine Gemischbildung der gebläseunterstützt der Kammer 1 zuströmenden Verbrennungsluft und des durch üblichen Leitungsdruck zuströmenden Brenngases statt. Die Kammer 1 besitzt eine Kammerwand 4, die mit einer Mehrzahl von kreisförmig angeordneten Mischlöchern 5 ausgebildet ist. Die Mischlöcher 5 bewirken eine innige Durchmischung des in der Kammer 1 entstehenden Gas-Luft-Gemisches und führen dieses mit vorbestimmter Luftüberschußzahl überstöchiometrisch vorgemischte Gemisch zum Gemischaustritt des Mischers bzw. zum Brennerkopf des Gas-Gebläsebrenners. Die Einmündung der Brenngaszufuhr 3 ist von einer Gasdüse 6 gebildet, die mehrere Düsenbohrungen 7 besitzt, die ständig in die Kammer 1 offen ausmünden. Zusätzlich besitzt die Gasdüse 6 einen Zusatzgasmengenaustritt 8. Die Kammer 1 enthält ein als Scheibe ausgebildetes Drosselorgan 9, das gegenüber der gelochten Kammerwand 4 verstellbar ist, und zwar durch kolbenartiges Anheben und Absenken in einem zylinderartigen Teil der Kammer 1. Die Drosselscheibe 9 besitzt Drosselöffnungen 10, die im Querschnitt kleiner sind als die Mischlöcher 5 der Kammerwand 4. In der angehobenen Vollaststellung gibt die Drosselscheibe 9 die Mischlöcher 5 der Kammerwand 4 frei. In der auf die Kammerwand 4 aufgesetzten Teillaststellung verschließt die Drosselscheibe 9 den Querschnitt der Mischlöcher 5 bis auf den kleineren Querschnitt ihrer Drosselöffnungen 10. Zur Vermeidung eines unnötigen Drosseleffektes in der angehobenen Vollaststellung besitzt die Drosselscheibe 9 zusätzlich eine größere Mittelöffnung 11, durch die die Gasdüse 6 hindurchragt, oder auch noch zwischen den Drosselöffnungen 10 liegende Öffnungen 12. Diese zusätzliche Durchlaßöffnungen 11 und 12 werden in der auf die Kammerwand 4 aufgesetzten Teillaststellung der Drosselscheibe 9 von außerhalb der Mischlöcher 5 liegenden geschlossenen Bereichen der Kammerwand 4 verschlossen. Das Anheben der Drosselscheibe 9 in die Vollaststellung erfolgt in einfacher Weise durch Einschalten eines elektrischen Hubmagneten 13, das Absenken der Drosselscheibe 9 in die Teillaststellung für die zweistufige Leistungsregelung des Gas-Gebläsebrenners erfolgt beim Ausschalten des Hubmagneten 13 durch die Kraft einer Druckfeder 14. Mit der Drosselscheibe 9 ist ein Stempel 14 gekuppelt, der zusammen mit der Drosselscheibe 9 anhebbar und absenkbar ist und als Absperrorgan mit der Gasdüse 6 zusammenwirkt. Der Zusatzgasmengenaustritt 8 der Gasdüse 6 der in der angehobenen Vollaststellung der Drosselscheibe 9 offen ist und zusammen mit den Düsenbohrungen 7 eine Gasmenge austreten läßt, die mit der in die Kammer 1 einströmenden Luft das Gemisch mit dem gewünschten Mischungsverhältnis ergibt, wird in der auf die Kammerwand 4 aufgesetzten Teillaststellung der Drosselscheibe 9 durch den Stempel 14 verschlossen. Dadurch kann von dem Gas, dessen Strömungsdruck in der Gaszufuhr 3 in der Praxis üblicherweise größer ist als der Luftdruck des Gebläsebrenners in der Luftzufuhr 2, nur durch die Düsenbohrungen 7 eine gedrosselte Gasmenge in die Kammer 1 einströmen. Bei entsprechender Kalibrierung der Düsenauslässe 7 und 8 ergibt die in der Teillaststellung der Drosselscheibe 9 in die Kammer 1 einströmende gedrosselte Gasmenge mit derjenigen reduzierten Luftmenge, die bei der Teillaststellung der Drosselscheibe 9 infolge des gedrosselten Gemischaustrittes aus der Kammer 1 nur noch gebläseunterstützt durch die Luftzufuhr 2 in die Kammer 1 einströmt, wieder ein Gemisch mit dem gewünschten Mischungsverhältnis.

Claims (3)

  1. Stellorgan für eine zweistufige Leistungsregelung von Gas-Gebläsebrennern, wobei dem Brenner ein Mischer mit einer Kammer (1) vorgeschaltet ist, in die eine Luftzufuhr (2) und eine Brenngaszufuhr (3) zur Gemischbildung in der Kammer einmünden und von der mehrere Mischlöcher (5) in einer als Lochmischer ausgebildeten Kammerwand zum (4) Gemischaustritt des Mischers führen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (1) ein gegenüber der gelochten Kammerwand (4) verstellbares Drosselorgan (9) enthält, das von einer die Mischlöcher (5) freigebenden Vollaststellung in eine Teillaststellung verstellbar ist, in der die Mischlöcher (5) von dem Drosselorgan (9) bis auf einen vorbestimmten kleineren Durchlaßquerschnitt teilweise abgedeckt sind, daß ferner die Einmündung der Brenngaszufuhr (3) in die Kammer (1) von einer Gasdüse (6) gebildet ist, die zusätzlich zu einem bei Vollast- und Teillaststellung des Drosselorgans (9) offenen Düsenauslaß (7) einen Zusatzgasmengenaustritt (8) besitzt, und daß das Drosselorgan (9) mit einem zusammen mit dem Drosselorgan verstellbaren Absperrorgan (14) gekuppelt ist, das in der Teillaststellung des Drosselorgans (9) den Zusatzgasmengenaustritt (8) der Gasdüse (6) verschließt.
  2. Stellorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselorgan (9) aus einer mit Drosselöffnungen (10) versehenen Scheibe besteht, die mittels eines Stellantriebes, vorzugsweise mittels eines ein- und ausschaltbaren elektrischen Hubmagneten (13) von einer von der gelochten Kammerwand (4) angehobenen Stellung auf die Kammerwand aufsetzbar ist und dabei mit den Drosselöffnungen (10), die im Querschnitt kleiner sind als die Mischlöcher (5) der Kammerwand (4) die Mischlöcher (5) teilweise verschließt, und daß die Gasdüse (6) einen in die Hubrichtung der Scheibe (9) weisenden Zusatzgasmengenaustritt (8) besitzt und mit der Scheibe (9) ein Stempel (14) verbunden ist, der sich in der auf die Kammerwand (4) aufgesetzten Stellung der Scheibe (9) absperrend auf den Zusatzgasmengenaustritt (8) der Gasdüse aufsetzt.
  3. Stellorgan nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (9) kolbenartig in der zylinderartigen Kammer (1) verstellbar ist und zusätzlich zu den Drosselöffnungen (10) Durchlaßöffnungen (11,12) besitzt, die in der auf die Kammerwand (4) aufgesetzten Stellung der Scheibe (9) von außerhalb der Mischlöcher (5) liegenden geschlossenen Bereichen der Kammerwand verschlossen sind.
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