EP2687781A2 - Flächenbrenner und Verfahren zur Überwachung einer Flammenbildung bei einem Flächenbrenner - Google Patents

Flächenbrenner und Verfahren zur Überwachung einer Flammenbildung bei einem Flächenbrenner Download PDF

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EP2687781A2
EP2687781A2 EP13176109.0A EP13176109A EP2687781A2 EP 2687781 A2 EP2687781 A2 EP 2687781A2 EP 13176109 A EP13176109 A EP 13176109A EP 2687781 A2 EP2687781 A2 EP 2687781A2
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EP
European Patent Office
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monitoring area
distributor plate
knitted fabric
area
monitoring
Prior art date
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EP13176109.0A
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English (en)
French (fr)
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EP2687781A3 (de
EP2687781B1 (de
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Gordy Koellmann
Ewald Oesterle
Frank Wagner
Sungbae Park
Franz Schmuker
Markus Wacker
Albrecht Schaefer
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Publication of EP2687781A3 publication Critical patent/EP2687781A3/de
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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
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • 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
    • F23D14/26—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid with provision for a retention flame
    • 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
    • F23D14/72—Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
    • F23D14/725—Protection against flame failure by using flame detection devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/00012—Liquid or gas fuel burners with flames spread over a flat surface, either premix or non-premix type, e.g. "Flächenbrenner"
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/00019—Outlet manufactured from knitted fibres

Definitions

  • the invention relates to a surface burner according to the preamble of claim 1 and a method for monitoring flame formation in a surface burner according to claim 18.
  • Area burners are usually operated with gas, such as natural gas or biogas. Possible fuels but also liquid fuels such as fuel oil, ethanol or methanol into consideration.
  • gaseous fuel-air mixture is usually generated in a mixing chamber and passed through a perforated metal distributor plate to the burner surface, which may have a fiber knit, for example of metal fibers or a ceramic tile.
  • the distributor plate serves for uniform distribution of the fuel-air mixture, which is burned at the side facing away from the distributor plate side of the fiber knitted fabric. On the fiber knit or on the burner surface so there is a flame area.
  • fiber knit is here representative of any known type of flat fiber system or thread system and thus includes fiber materials or thread materials produced by knitting, knitting, crocheting, weaving, felting, walking and / or pressing. Because of the statistical distribution of the fibers, threads, meshes and / or pores, their geometry can not be produced reproducibly with the same precision as in other machining processes (for example, machining).
  • Such surface burners are used in particular in heaters and water heaters.
  • a monitoring electrode for example an ionization electrode
  • a monitoring of the Combustion quality and in particular the level of oxygen content in the combustion mixture Due to a high temperature of the flame, the combustion mixture is ionized and has a measurable conductivity, which is measured by means of the monitoring electrode and provided to a control unit. This is a regulation of the composition of the fuel-air mixture.
  • any clearly defined and locally reproducible flames can be generated in the case of surface burners with fiber knits (for example in the region of the monitoring electrode).
  • a fiber knit is not completely uniform. Due to the non-reproducible knit geometry, there are no flames clearly defined in terms of flame geometry (flame pattern, length, shape, etc.) or combustion parameters (flame temperature, burnout rate, flame lift off or flame on the burner surface, etc.). Therefore, these values scatter relatively strongly across the burner surface.
  • the fiber knit varies over the life and thereby additionally influences the formation of flames. Since the flame ionization fluctuates due to the dependencies set out above, accurate control of the air ratio and the residual oxygen content based on the ionization current flowing through the flame is hardly possible over a large modulation range.
  • the invention has for its object to eliminate the disadvantages of the prior art and to achieve a defined flame formation in the surveillance area, so that in particular a precise air ratio control is possible.
  • the surface burner according to the invention thus has a distributor plate with a monitoring area and a main area, wherein the fuel-air mixture in the main area flows through the first fiber knit and is unaffected in the monitoring area of the first fiber knit.
  • the condition and shape of the first fiber knit fabric therefore have no effect on flame formation in the monitoring area. Rather, a flame formation in the monitoring area is independent of the first fiber knitted fabric.
  • the distributor plate is further protected by the first fiber knit especially from too high temperatures, so that the desired life of the surface burner can be achieved. Since flame formation is not influenced or disturbed by the first fiber knit in the monitoring area, it is possible to produce a geometrically well-defined flame. This creates defined flame conditions without scattering between different surface burners and without change over the life. The defined conditions allow precise control over a large modulation range.
  • a mixture outflow geometry which can be reproduced from burner to burner and thus reproducible flame parameters are created in the monitoring area on the monitoring electrode, which permit a reproducible ionization measurement from burner to burner and not age-dependent.
  • the monitoring area is formed much smaller than the main area, wherein the monitoring area has a size of about 5 cm 2 to 15 cm 2 , in particular of about 10 cm 2 .
  • the surveillance area is for example 50 mm x 20 mm in size and accordingly very small compared to the main area. A heat conduction in the distributor plate from the monitoring area in the main area, which is protected by the first fiber knit and therefore has a lower temperature, is therefore easily possible, so that excessive overheating of the distributor plate in the monitoring area is not to be feared.
  • slot-shaped outlet openings can be provided in the distributor plate at least in the monitoring area, which run perpendicular to the respective nearest edge of the monitoring area. This ensures safe heat dissipation from the monitoring area to the main area.
  • the distributor plate can be made more permeable to the fuel-air mixture than in the main area. This can be realized, for example, by virtue of the fact that the sum of the open cross sections per area in the surveillance area is higher than in the main area. In particular, with a low required power so that a relatively strong flame in the monitoring area ensures that can be used to generate a sufficient ionization signal.
  • the distributor plate may have a greater thickness in the monitoring area than in the main area.
  • the distributor plate is made of a metal or stainless steel sheet having a thickness of about 0.6 mm. In the monitoring area, the thickness of the distributor plate is then increased to, for example, 1 mm or 1.5 mm.
  • an additional metal sheet may be formed, for example, from stainless steel or a high-temperature-resistant alloy, such as a nickel-based alloy, which is welded to the distributor plate in the monitoring area. This further improves the dissipation of heat in the monitoring area.
  • a weld is in a metal fiber knit a particularly simple way to fix the first fiber knit to the distributor plate. The welding takes place for example via individual welds.
  • the monitoring area is free of the first fiber knit.
  • the generated flame image in the monitoring area is then essentially determined by the openings in the distributor plate.
  • the burner surface in the monitoring area can be completely free, so the distributor plate are open, so that the flames are generated without the interposition of a burner medium in the monitoring area.
  • the distribution plate is covered in the monitoring area downstream of a second fiber knitted fabric, which has a lower flow resistance than the first fiber knitted fabric and forms part of the burner surface.
  • the second fiber knit then causes a protection of Distribution plate in the monitoring area, but affects the flow of the fuel-air mixture but significantly lower than the first fiber knit.
  • the first fiber knitted fabric can be produced from a proven, relatively thick metal fiber fabric, which is sold, for example, under the name NIT 100 SE from Bekaert Combustion Technology.
  • the second fiber knitted fabric is very thin, with a ratio of hidden areas to holes being very small, so that the fuel-air mixture can flow through the second fiber knitted fabric virtually undisturbed.
  • Influencing the flame pattern is then essentially determined by the shape of the openings in the distributor plate and hardly influenced by the second fiber knit.
  • the second fiber knitted fabric for example, a metal fiber knit fabric offered by Bekaert under the name NIT 100 A can be used.
  • NIT 100 A a metal fiber knit fabric offered by Bekaert under the name NIT 100 A
  • the first fiber knit fabric is connected to the second fiber knit, in particular welded.
  • a welding of metal-fiber knits and different mesh sizes and thicknesses is easily possible and represents a particularly simple and durable connection.
  • the distribution plate in the monitoring area downstream of a perforated, temperature-resistant metal sheet is covered, which forms a part of the burner surface.
  • the metal sheet is made, for example, from a high temperature resistant stainless steel alloy and perforated and / or perforated. Edges of the metal sheet close to the first fiber knit fabric or are covered by the first fiber knit, so that no thermally overloaded areas arise.
  • the metal sheet protects the distribution plate in the monitored area.
  • the distribution plate is, for example, at a distance of 1 mm to 3 mm to the distribution plate in the surveillance area arranged.
  • the geometry of the perforation of the metal sheet can be produced with a very high repetition accuracy, so that a well-defined flame is obtained.
  • the metal sheet may be kept freely stretchable on the surface burner in a longitudinal direction.
  • This is possible for example by a combination of a fixed bearing with a movable bearing, wherein the metal sheet is thus fixed only on one narrow side and is displaceably mounted on an opposite narrow side and / or on the adjacent longitudinal sides.
  • the distributor plate is interrupted in the monitoring area.
  • the size of this interrupt corresponds to the size of the monitored area.
  • the flow of the fuel-air mixture is then not affected at all in the monitoring area by the distributor plate, but only by the metal sheet. Overall, this results in a very low flow resistance, so that even at low power levels, the formation of a strong flame in the monitored area is ensured.
  • the first fiber knit is penetrated in the monitoring area of nozzles.
  • the entire distributor plate can be covered by the first fiber knitted fabric and thus protected against overheating, while at the same time ensuring that the flow of the fuel-air mixture can not be influenced by the first fiber knitted fabric in the monitored area.
  • the fuel-air mixture in the monitoring area with the aid of the nozzles is passed through the layer of the first fiber knitted fabric and on this fiber knit and can thus be used to generate a defined flame.
  • the nozzles can be used simultaneously to locally hold the first fiber knit, for example, to avoid sagging of the fiber knit, which can lead to an elongation of the fabric over the life.
  • the first fiber knit for example, non-positively on the nozzles and / or held in a form-fitting manner.
  • the fiber knit is pierced by the nozzles, so to speak, whereby loops of the fiber knit are stretched. Individual fibers of the fiber knitted fabric are thus not damaged.
  • the nozzles can easily have a diameter of about 5 mm. Additionally or alternatively, the nozzles may also be welded or otherwise connected to the first fiber knit.
  • the nozzles may each have a plurality of outlet channels. It is particularly preferred that the outlet channels extend at least partially at an angle greater than or equal to 0 ° and smaller than 90 ° to a nozzle longitudinal axis. This results in a lateral escape of the fuel-air mixture, so that the flame lifts less strongly from the burner surface. This is advantageous for accurate ionization measurement in the flame and thus for the adjustment and regulation of an air ratio (residual oxygen content).
  • the nozzles are connected to the distributor plate, in particular welded or riveted.
  • the position of the nozzles with respect to the distributor plate and the monitoring electrode is then clearly defined so that the nozzles can be used to position the fiber knit.
  • the invention is also achieved by a method of monitoring flame formation in a surface burner by monitoring flame formation in a monitoring area, wherein a fuel-air mixture in the monitoring area is guided past a first fiber knit covering a main area. It can be provided that the monitoring area is kept free of fiber-fiber, so that the fuel-air mixture unhindered in the monitored area from the first fiber knit emerge from the distributor plate and can be used for geometrically defined flame formation.
  • other burner media such as a second fiber knit or a metal sheet can be used be arranged to support the distributor plate in the monitoring area and to ensure a defined flame formation.
  • FIG. 1 a surface burner 1 is shown in a spatial representation, which has a box-shaped burner frame 2, in which a mixing chamber is formed.
  • the surface burner 1 has a first fiber knitted fabric 3, which is arranged between the sides of the burner frame 2.
  • the first fiber knitted fabric 3 forms a burner surface.
  • a monitoring area 4 is free of the first fiber knitted fabric 3, so that a distributor plate 5 can be seen.
  • the distributor plate 5 extends over the entire upper side of the surface burner 1 and is covered outside the monitoring region 4 in a main region 6 of the first fiber knit 3.
  • slot-shaped outlet openings 7 are formed which in each case run perpendicular to the nearest edge 8 of the monitoring area 4.
  • a fuel-air mixture which is located in the mixing chamber within the burner frame 2, can flow through the distributor plate 5 to the burner surface above the first fiber knitted fabric 3 in the main region 6 and above the distributor plate 5 in the monitoring region 4.
  • the fuel-air mixture reaches the side facing away from the distributor plate 5 top of the first fiber knit 3.
  • the fuel-air mixture is ignited and then can form the flames.
  • a plurality of and / or larger outlet openings 7 can be provided in the area of the monitoring area 4 of the distributor plate 5 than in the main area 6. This achieves that in the monitored area 4 raised flames lift off the distributor plate 5, so that it is not thermally overloaded. At the same time, the larger volume flow provides additional cooling.
  • the first fiber knitted fabric 3 which is formed as a metal fiber knitted fabric, with the distributor plate 5, which may be formed for example as a perforated stainless steel sheet, welded.
  • the first fiber knitted fabric 3 is stabilized on the one hand, and on the other hand it is ensured that no influence of the fuel-air mixture through the first fiber knitted fabric 3 can take place in the monitoring region 4.
  • a defined flame can thus be generated in the monitoring area 4 and used for controlling the air number, that is to say residual oxygen monitoring.
  • FIG. 1 is above the monitoring area 4 no fiber knit or other burner medium arranged. But it is also possible to cover the distributor plate 5 in the monitoring area 4 with a comparison with the first fiber knitted fabric 3 lighter and / or thinner second fiber knit 21 to the distributor plate. 5 also to protect in the monitoring area from thermal stress.
  • the second fiber knit should then have a lower flow resistance than the first fiber knit 3. This embodiment is in Fig. 3 shown.
  • FIG. 2 the surface burner 1 is shown in plan view.
  • the distributor plate 5 is covered in the monitoring area 4 by a metal sheet 9 having defined openings 10.
  • the metal sheet 9 is formed as a perforated stainless steel sheet.
  • the first fiber knitted fabric 3 is welded at the edge 8 to the metal sheet 9. In addition, the first fiber knitted fabric 3 is welded to the burner frame 2 and so clearly positioned. In the monitoring area 4, the first fiber knitted fabric 3 can thus have no influence on the flame formation. Rather, the fuel-air mixture is passed through the metal sheet 9 and its openings 10, so that a defined flame can be generated.
  • Fig. 3 shows the area burner Fig. 1 in cross section.
  • a second, much lighter and more permeable fiber fabric 21 is disposed of metal fibers than in the main area 6, so that the fuel-air mixture in the monitoring area is not or hardly affected. This generates a defined flame in the monitoring area.
  • Fig. 4 shows one opposite the representation in Fig. 3 only slightly modified embodiment in which the second fiber knitted fabric 21 is not formed as a metal fiber knitted fabric, but from another material.
  • the in Fig. 4 surface burners shown in Fig. 3 shown embodiment.
  • FIG. 5 shows the embodiment according to FIG. 2 in cross section.
  • the mixing chamber 11, which is surrounded by the burner frame 2, is covered on its upper side by the distributor plate 5.
  • the first fiber knitted fabric 3 is located on the distributor plate 5.
  • the monitoring area 4 is at a distance of about 1mm to 3mm above the distributor plate 5, the metal sheet 9.
  • the metal sheet 9 at its the burner frame 2 facing narrow side 12th freely slidably held on the burner frame 2 (floating bearing).
  • the metal sheet 9 is firmly connected to the distributor plate 5, so that a fixed bearing is formed. In the longitudinal direction, the metal sheet 9 can therefore expand freely, so that no thermal stresses occur.
  • a fuel-air mixture passes from the mixing chamber 11 through the outlet openings 7 of the distributor plate 5 and flows through the first fiber fabric 3 in the main region 6, so that 3 flames can be formed on a side facing away from the distributor plate 5 side of the first fiber knitted fabric.
  • the fuel-air mixture flows through the openings 10 of the metal sheet 9, so that 9 forms a defined flame on a side facing away from the distributor plate 5 side of the metal sheet.
  • the distributor plate 5 is thus protected in the main region 6 by the first fiber knitted fabric 3 and in the monitoring region 4 by the metal sheet 9 against thermal stress from the flames. Accordingly, the distributor plate 5 may be made relatively thin and, for example, have a thickness of 0.6 mm.
  • the outlet openings 7 are arranged at a smaller distance from one another than in the main area 6. As a result, the volume flow per unit area in the monitoring area 4 is greater than in the main area 6.
  • a monitoring electrode 14 is arranged, with which the conductivity of the burning ionized fuel-air mixture is detected. From this it is possible to determine the air ratio or the residual oxygen content and thus achieve an air ratio control.
  • the monitoring electrode 14 is therefore also referred to as ionization electrode.
  • FIG. 6a a further embodiment of the surface burner 1 is shown in cross section, which is largely according to the embodiments FIG. 3 and FIG. 5 equivalent.
  • the distributor plate 5 in the monitoring area 4 has an interruption (recess) 15.
  • the fuel-air mixture thus passes from the mixing chamber 11 through the interruption 15 directly to the metal sheet 9 and can escape through the openings 10.
  • a flow resistance in the monitoring area 4 is very small and, in particular, significantly smaller than in the main area 6. This results, for example, in twice as large a flow and thus a lifting flame in the monitoring area 4, whereby a thermal load of the metal sheet 9 is kept low.
  • a strong flame is ensured even if only a small power from the surface burner 1 is required and, accordingly, relatively little fuel-air mixture is supplied.
  • Fig. 6b is the surface burner 1 shown in the operating state in which flames 22 are ignited at the burner surface by outflowing fuel-air mixture.
  • a much more controlled, defined flame is formed than in the main area 6.
  • the surface burner corresponds to 1 in FIGS. 6a and 6b the embodiment according to FIG. 5 ,
  • FIG. 7 a further embodiment of the surface burner 1 is shown in cross section, wherein the entire burner surface, so both the main area 6 and the monitoring area 4 is covered by the first fiber knit 3. So that in the monitoring area 4 no influence on the fuel-air mixture, 4 nozzles 16 are provided in the monitoring area, which penetrate the first fiber knit 3. For this purpose, stitches of the first fiber knitted fabric 3 are widened through the nozzles 16, whereby the first fiber knit fabric 3 is held on the nozzles 16 in a force-locking and / or form-fitting manner. The nozzles 16 are riveted into the distributor plate 5 and provide a fluid-conducting connection to the mixing chamber 11.
  • FIG. 8 shows an embodiment of the surface burner 1, wherein the nozzles 16 not as in the embodiment of FIG. 7 are riveted, but have been integrally formed by deep drawing from the distributor plate 5. This results in very favorable flow conditions.
  • the first fiber knitted fabric 3 in the monitoring area 4 is welded to the distributor plate 5, with individual spot welds are sufficient.
  • FIG. 9 shows a sectional view of a preferred embodiment of the nozzle 16.
  • the nozzle 16 has a lying on the longitudinal axis 17 outlet channel 18 and two lateral outlet channels 19, 20. This results in a very uniform distribution of the fuel-air mixture above the monitoring area 4 and thus a strong flame with light and reproducible from burner to burner ionization measurement.
  • either no burner medium is placed in the monitoring area 4 at all, so that the flames are formed directly above the distributor plate, or burner media are used which provide lower flow resistance and / or more defined flow conditions than the first fiber knit 3.
  • a lighter second fiber knitted fabric having a lower flow resistance, or a metal sheet with openings which is not subject to aging such as the fiber knit and can be manufactured and assembled with high repeatability.
  • the distributor plate 5 is provided in the region of the monitoring area with a larger number of outlet openings. It is also conceivable to interrupt the distributor plate in the region of the monitored area, ie to cut it out, for example.
  • the flame image in the monitoring area can be generated in a very defined manner.
  • an uncooled surface of the distributor plate is kept very low in the monitoring area, so that a good heat dissipation can take place. It is thus obtained an exact definition of the outflow of the fuel-air mixture and thus generates a defined flame, which does not change over a longer period.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Flächenbrenner (1) mit einer Verteilerplatte (5) und einer Brenneroberfläche, die zumindest ein erstes Faser-Gewirk (3) aufweist, und mit einer Mischkammer, aus der ein Brennstoff-Luft-Gemisch durch die Verteilerplatte zur Brenneroberfläche geführt ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung einer definierten Flammenbildung bei einem derartigen Flächenbrenner. Es ist Aufgabe der Erfindung, im Überwachungsbereich eine definierte Flammenbildung zu erreichen, um eine genaue Überwachung und insbesondere Luftzahlregelung zu ermöglichen. Gekennzeichnet ist der erfindungsgemäße Flächenbrenner dadurch, dass die Verteilerplatte einen Überwachungsbereich (4) und einen Hauptbereich (6) aufweist, wobei das Brennstoff-Luft-Gemisch im Hauptbereich das erste Faser-Gewirk durchströmt und im Überwachungsbereich vom ersten Faser-Gewirk unbeeinflusst ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Flammenbildung in einem Überwachungsbereich insbesondere mit einer Überwachungselektrode (14) überwacht wird, wobei ein Brennstoff-Luft-Gemisch im Überwachungsbereich an einem ersten Faser-Gewirk, das einen Hauptbereich überdeckt, vorbei geführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Flächenbrenner nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zur Überwachung einer Flammenbildung bei einem Flächenbrenner nach Anspruch 18.
  • Flächenbrenner werden in der Regel mit Gas, wie beispielsweise Erdgas oder Biogas betrieben. Als mögliche Brennstoffe kommen aber auch flüssige Brennstoffe wie zum Beispiel Heizöl, Ethanol oder Methanol in Betracht. Dabei wird in der Regel in einer Mischkammer ein gasförmiges Brennstoff-Luft-Gemisch erzeugt und durch eine perforierte metallische Verteilerplatte zur Brenneroberfläche geführt, die ein Faser-Gewirk, beispielsweise aus Metallfasern oder einem Keramikflies, aufweisen kann. Die Verteilerplatte dient dabei zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoff-Luft-Gemisches, das an der von der Verteilerplatte abgewandten Seite des Faser-Gewirks verbrannt wird. Auf dem Faser-Gewirk beziehungsweise auf der Brenneroberfläche befindet sich also ein Flammenbereich. Der Begriff Faser-Gewirk steht hier stellvertretend für jede bekannte Art von flächigem Fasersystem oder Fadensystem und umfasst also durch Stricken, Wirken, Häkeln, Weben, Filzen, Walken und/oder Pressen hergestellte Fasermaterialien oder Fadenmaterialien. Ihre Geometrie ist wegen der statistischen Verteilung der Fasern, Fäden, Maschen und/oder Poren nicht mit der gleichen Präzision reproduzierbar herzustellen wie bei anderen Bearbeitungsprozessen (zum Beispiel spanende Bearbeitung).
  • Derartige Flächenbrenner kommen insbesondere bei Heizgeräten und Warmwassergeräten zum Einsatz. Mit Hilfe einer Überwachungselektrode, beispielsweise einer Ionisationselektrode, erfolgt eine Überwachung der Verbrennungsqualität und insbesondere der Höhe eines Sauerstoffgehalts im Verbrennungsgemisch. Aufgrund einer hohen Temperatur der Flamme ist das Verbrennungsgemisch ionisiert und weist eine messbare Leitfähigkeit auf, die mit Hilfe der Überwachungselektrode gemessen und einer Regeleinheit zur Verfügung gestellt wird. Damit erfolgt eine Regelung der Zusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemisches.
  • Ein Überangebot an Verbrennungsluft, also ein zu großer Luftanteil im Brennstoff-Luft-Gemisch, soll dabei vermieden werden, da dies zu einer schlechten Energieausbeute und damit zu einem verringerten Wirkungsgrad führt. Eine entsprechende Regelung ist auch unter der Bezeichnung Luftzahlregelung oder Lambda-Regelung bekannt und kommt beispielsweise bei der SCOT-Technologie (Systemcontrol-Technologie) zum Einsatz. Theoretisch werden damit stets optimale Verbrennungswerte unabhängig von der Brennstoffbeschaffenheit erreicht, wobei eine Anpassung des Flächenbrenners an die jeweils verfügbare Brennstoffqualität nicht erforderlich ist.
  • Allerdings sind bei Flächenbrennern mit Faser-Gewirk kaum klar definierte und lokal reproduzierbare Flammen erzeugbar (zum Beispiel im Bereich der Überwachungselektrode). Ein Faser-Gewirk ist nicht vollständig gleichförmig herstellbar. Aufgrund der nicht reproduzierbaren Gewirkgeometrie liegen dann keine hinsichtlich Flammengeometrie (Flammenbild, -länge, -form, usw.) oder Verbrennungsparameter (Flammentemperatur, Ausbrandgeschwindigkeit, Abheben der Flamme von oder Aufsitzen der Flamme auf der Brenneroberfläche, usw.) klar definierten Flammen vor. Daher streuen diese Werte über die Brenneroberfläche relativ stark. Außerdem verändert sich das Faser-Gewirk über die Lebensdauer und beeinflusst dadurch zusätzlich die Flammenbildung. Da die Flammenionisation aufgrund der oben dargelegten Abhängigkeiten schwankt, ist eine genaue Regelung der Luftzahl bzw. des Restsauerstoffgehaltes auf Grundlage des durch die Flamme fließenden Ionisationsstroms über einen großen Modulationsbereich kaum möglich.
  • In DE 10 2005 056 499 A1 wird vorgeschlagen, eine Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches in Überwachungsbereich gegenüber dem Hauptbereich zu reduzieren, um eine ausreichende Flammenüberwachung auch bei unterschiedlichen Gasbeschaffenheiten und Betriebsweisen sicher zu stellen, wobei die Überwachungselektrode dem Überwachungsbereich zugeordnet ist.
  • In EP 0 339 499 A2 wird dagegen vorgeschlagen, im Überwachungsbereich Flammen mit einer größeren Länge als im Hauptbereich zu erzeugen, was beispielsweise dadurch realisiert wird, dass in der Verteilerplatte kleinere Austrittsöffnungen vorgesehen sind oder der Luftanteil im Brennstoff-Luft-Gemisch reduziert wird. Dadurch soll sichergestellt werden, dass der Überwachungselektrode immer eine zur Ionisationsmessung brauchbare Flamme zur Verfügung steht.
  • Eine Streuung der Flammenbildung wird aber durch diese Maßnahme nicht vollständig behoben. Insbesondere über einen längeren Zeitraum kann es dabei zu einer Veränderung des Flammenbildes kommen.
    Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen und eine definierte Flammenbildung im Überwachungsbereich zu erreichen, so dass insbesondere eine genaue Luftzahlregelung möglich ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 beziehungsweise mit den Merkmalen des Patentanspruches 18 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Der erfindungsgemäße Flächenbrenner weist also eine Verteilerplatte mit einem Überwachungsbereich und einem Hauptbereich auf, wobei das Brennstoff-Luft-Gemisch im Hauptbereich das erste Faser-Gewirk durchströmt und im Überwachungsbereich vom ersten Faser-Gewirk unbeeinflusst ist. Der Zustand und die Form des ersten Faser-Gewirkes haben für die Flammenbildung im Überwachungsbereich also überhaupt keine Auswirkungen. Vielmehr erfolgt eine Flammenbildung im Überwachungsbereich unabhängig vom ersten Faser-Gewirk. Im Hauptbereich wird die Verteilerplatte weiterhin durch das erste Faser-Gewirk insbesondere vor zu hohen Temperaturen geschützt, sodass die gewünschte Lebensdauer des Flächenbrenners erreicht werden kann. Da im Überwachungsbereich die Flammenbildung nicht durch das erste Faser-Gewirk beeinflusst beziehungsweise gestört wird, ist es möglich, eine geometrisch genau definierte Flamme zu erzeugen. Damit entstehen definierte Flammenverhältnisse ohne Streuung zwischen verschiedenen Flächenbrennern und ohne Veränderung über die Lebensdauer. Die definierten Verhältnisse ermöglichen dabei eine genaue Regelung über einen großen Modulationsbereich.
  • Insbesondere werden im Überwachungsbereich an der Überwachungselektrode eine von Brenner zu Brenner reproduzierbare Gemischausströmgeometrie und damit reproduzierbare Flammenparameter geschaffen, die eine von Brenner zu Brenner reproduzierbare und nicht alterungsabhängige Ionisationsmessung gestatten.
  • Dabei ist besonders bevorzugt, dass der Überwachungsbereich sehr viel kleiner ausgebildet ist als der Hauptbereich, wobei der Überwachungsbereich eine Größe von etwa 5 cm2 bis 15 cm2, insbesondere von circa 10 cm2 aufweist. Der Überwachungsbereich ist beispielsweise 50 mm x 20 mm groß und dementsprechend gegenüber dem Hauptbereich sehr klein. Eine Wärmeleitung in der Verteilerplatte vom Überwachungsbereich in den Hauptbereich, der durch das erste Faser-Gewirk geschützt ist und dementsprechend eine geringere Temperatur aufweist, ist daher problemlos möglich, sodass eine zu starke Überhitzung der Verteilerplatte im Überwachungsbereich nicht zu befürchten ist. Dabei wird häufig im Überwachungsbereich eine größere Durchströmungsgeschwindigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches gefordert, um eine kräftige Flamme zu erzeugen, was auch dazu führt, dass die Flamme nicht direkt auf der Oberfläche der Verteilerplatte anliegt, sondern auch ohne das zusätzliche erste Faser-Gewirk von der Verteilerplatte beabstandet ist. Damit wird sichergestellt, dass auch bei Kleinlast noch eine ausreichend starke Flamme im Überwachungsbereich erzeugt wird, um ein verwertbares Ionisationssignal zu bekommen. Eine Überhitzung der Verteilerplatte ist damit auch bei geringen Leistungen nun nicht zu befürchten.
  • Um Wärmeleitwege vom Überwachungsbereich in den Hauptbereich der Verteilerplatte nicht zu unterbrechen, können in der Verteilerplatte zumindest im Überwachungsbereich schlitzförmige Auslassöffnungen vorgesehen sein, die senkrecht zum jeweils nächstliegenden Rand des Überwachungsbereichs verlaufen. Damit wird eine sichere Wärmeableitung vom Überwachungsbereich in den Hauptbereich sichergestellt.
  • Im Überwachungsbereich kann die Verteilerplatte dabei durchlässiger für das Brennstoff-Luft-Gemisch ausgebildet sein als im Hauptbereich. Dies ist beispielsweise dadurch realisierbar, das die Summe der offenen Querschnitte je Fläche im Überwachungsbereich höher ist als im Hauptbereich. Insbesondere bei einer geringen geforderten Leistung wird damit eine relativ kräftige Flamme im Überwachungsbereich gewährleistet, die zur Erzeugung eines ausreichenden Ionisationssignals genutzt werden kann.
  • Zusätzlich oder alternativ kann die Verteilerplatte im Überwachungsbereich eine höhere Dicke aufweisen als im Hauptbereich. Beispielsweise ist die Verteilerplatte aus einem Metall- oder Edelstahlblech mit einer Dicke von etwa 0,6 mm hergestellt. Im Überwachungsbereich wird dann die Dicke der Verteilerplatte auf beispielsweise 1 mm oder 1,5 mm erhöht. Dafür kann ein zusätzliches Blech beispielsweise aus Edelstahl oder einer hochtemperaturfesten Legierung wie einer Nickel-Basislegierung gebildet sein, das im Überwachungsbereich an die Verteilerplatte angeschweißt wird. Dadurch wird eine Ableitung der Wärme im Überwachungsbereich weiter verbessert. Damit wird eine sichere Positionierung des ersten Faser-Gewirkes an der Verteilerplatte erhalten, wobei sichergestellt wird, dass das erste Faser-Gewirk nicht in den Überwachungsbereich ragt und damit die Flammenbildung im Überwachungsbereich beeinflusst. Eine Verschweißung stellt bei einem Metallfaser-Gewirk eine besonders einfache Möglichkeit dar, um das erste Faser-Gewirk an der Verteilerplatte zu fixieren. Die Verschweißung erfolgt beispielsweise über einzelne Schweißpunkte.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Überwachungsbereich frei vom ersten Faser-Gewirk. Das erzeugte Flammenbild im Überwachungsbereich wird dann im Wesentlichen durch die Öffnungen in der Verteilerplatte bestimmt. Dabei kann die Brenneroberfläche im Überwachungsbereich völlig frei sein, die Verteilerplatte also offen liegen, sodass die Flammen ohne Zwischenschaltung eines Brennermediums im Überwachungsbereich erzeugt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verteilerplatte im Überwachungsbereich strömungsabwärts von einem zweiten Faser-Gewirk überdeckt, das einen geringeren Strömungswiderstand aufweist als das erste Faser-Gewirk und einen Teil der Brenneroberfläche bildet. Das zweite Faser-Gewirk bewirkt dann einen Schutz der Verteilerplatte im Überwachungsbereich, beeinflusst die Strömung des Brennstoff-Luft-Gemisches aber deutlich geringer als das erste Faser-Gewirk. Das erste Faser-Gewirk kann aus einem bewährten, relativ dicken Metallfasergewebe hergestellt werden, dass beispielsweise unter der Bezeichnung NIT 100 SE der Firma Bekaert Combustion Technology vertrieben wird. Das zweite Faser-Gewirk ist demgegenüber sehr dünn, wobei ein Verhältnis von verdeckten Bereichen zu Löchern sehr gering ist, sodass das Brennstoff-Luft-Gemisch nahezu ungestört durch das zweite Faser-Gewirk hindurchströmen kann. Eine Beeinflussung des Flammenbildes wird dann im Wesentlichen durch die Form der Öffnungen in der Verteilerplatte bestimmt und durch das zweite Faser-Gewirk kaum beeinflusst. Als zweites Faser-Gewirk kann beispielsweise ein unter der Bezeichnung NIT 100 A von der Firma Bekaert angebotenes Metall-Faser-Gestrick verwendet werden. Insbesondere bei einer ohnehin stärkeren Durchströmung der Verteilerplatte im Überwachungsbereich als im Hauptbereich wird eine Überhitzung des zweiten Faser-Gewirkes nicht zu befürchten sein, da im Überwachungsbereich eine leicht abhebende Flamme und eine verstärkte Kühlung erhalten wird.
  • Vorteilhafterweise ist dabei das erste Faser-Gewirk mit dem zweiten Faser-Gewirk verbunden, insbesondere verschweißt. Damit wird sichergestellt, dass auch beim Übergang vom Überwachungsbereich in den Hauptbereich die Verteilerplatte von einem Faser-Gewirk überdeckt ist, sodass es nicht zu einer lokalen Überhitzung kommen kann. Eine Verschweißung von Metall-Faser-Gewirken auch unterschiedlicher Maschengrößen und Materialstärken ist dabei problemlos möglich und stellt eine besonders einfache und haltbare Verbindung dar.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist die Verteilerplatte im Überwachungsbereich strömungsabwärts mit einem perforierten, temperaturbeständigen Metallblech überdeckt, dass einen Teil mit der Brenneroberfläche bildet. Das Metallblech ist beispielsweise aus einer hochtemperaturfesten Edelstahllegierung gefertigt und gelocht und/oder perforiert. Ränder des Metallblechs schließen dabei an das erste Faser-Gewirk an oder sind durch das erste Faser-Gewirk abgedeckt, sodass keine thermisch überlasteten Bereiche entstehen. Durch das Metallblech erfolgt ein Schutz des Verteilblechs im Überwachungsbereich. Das Verteilblech wird dabei beispielsweise in einem Abstand von 1 mm bis 3 mm zum Verteilblech im Überwachungsbereich angeordnet. Die Geometrie der Perforation des Metallblechs kann dabei mit einer sehr hohen Wiederholungsgenauigkeit hergestellt werden, sodass eine genau definierte Flamme erhalten wird.
  • Dabei kann das Metallblech am Flächenbrenner in einer Längsrichtung frei dehnbar gehalten sein. Dies ist beispielsweise durch eine Kombination eines Festlagers mit einem Loslager möglich, wobei das Metallblech also nur an einer Schmalseite fixiert ist und an einer gegenüberliegenden Schmalseite und/oder an den benachbarten Längsseiten verschieblich gelagert ist. Dadurch wird das Auftreten von Temperaturspannungen aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungsverhalten des Metallblechs gegenüber der Verteilerplatte vermieden.
  • Bevorzugterweise ist die Verteilerplatte im Überwachungsbereich unterbrochen. Die Größe dieser Unterbrechung entspricht dabei der Größe des Überwachungsbereichs. Die Strömung des Brennstoff-Luft-Gemisches wird dann im Überwachungsbereich überhaupt nicht durch die Verteilerplatte beeinflusst, sondern nur durch das Metallblech. Insgesamt ergibt sich damit ein sehr niedriger Strömungswiderstand, sodass auch bei geringen Leistungen die Ausbildung einer starken Flamme im Überwachungsbereich sichergestellt ist.
  • In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung ist das erste Faser-Gewirk im Überwachungsbereich von Düsen durchdrungen. Dadurch kann die gesamte Verteilerplatte vom ersten Faser-Gewirk überdeckt sein und damit vor Überhitzung geschützt werden, wobei gleichzeitig sichergestellt ist, dass durch das erste Faser-Gewirk im Überwachungsbereich keine Beeinflussung der Strömung des Brennstoff-Luft-Gemischs erfolgen kann. Vielmehr wird das Brennstoff-Luft-Gemisch im Überwachungsbereich mit Hilfe der Düsen durch die Schicht des ersten Faser-Gewirks hindurch und an diesem Faser-Gewirk vorbeigeführt und kann so zur Erzeugung einer definierten Flamme genutzt werden.
  • Dabei können die Düsen gleichzeitig dazu verwendet werden, das erste Faser-Gewirk örtlich festzuhalten, um beispielsweise ein Durchhängen des Faser-Gewirkes zu vermeiden, das über die Lebensdauer zu einer Dehnung des Gewirkes führen kann. Dafür kann das erste Faser-Gewirk beispielsweise an den Düsen kraftschlüssig und/oder formschlüssig gehalten sein. Dafür wird das Faser-Gewirk von den Düsen sozusagen durchstoßen, wobei Maschen des Faser-Gewirkes gedehnt werden. Einzelne Fasern des Faser-Gewirks werden also nicht beschädigt. Die Düsen können dabei problemlos einen Durchmesser von etwa 5 mm aufweisen. Zusätzlich oder alternativ können die Düsen mit dem ersten Faser-Gewirk auch verschweißt sein oder anderweitig verbunden sein.
  • Für eine gleichmäßige Verteilung des Brennstoff-Luft-Gemisches können die Düsen jeweils mehrere Austrittskanäle aufweisen. Dabei ist besonders bevorzugt, dass die Austrittskanäle zumindest teilweise in einem Winkel größer oder gleich 0° und kleiner als 90° zu einer Düsenlängsachse verlaufen. Dadurch erfolgt ein seitliches Entweichen des Brennstoff-Luft-Gemisches, sodass die Flamme weniger stark von der Brenneroberfläche abhebt. Dies ist vorteilhaft für eine genaue Ionisationsmessung in der Flamme und damit für die Einstellung und Regelung einer Luftzahl (Restsauerstoffgehalt).
  • Vorzugsweise sind die Düsen mit der Verteilerplatte verbunden, insbesondere verschweißt oder vernietet. Die Position der Düsen bezüglich der Verteilerplatte und der Überwachungselektrode ist dann eindeutig definiert, sodass die Düsen zur Positionierung des Faser-Gewirkes genutzt werden können. Es ist auch möglich, die Düsen einstückig mit der Verteilerplatte auszubilden, wobei diese insbesondere tiefgezogen sind. Dadurch ist ein gleichmäßiger Übergang von der Verteilerplatte in die Düsen sichergestellt, ohne dass es zusätzlicher Arbeitsschritte bedarf.
  • Die Erfindung wird auch durch ein Verfahren zur Überwachung einer Flammenbildung bei einem Flächenbrenner dadurch gelöst, dass eine Flammenbildung in einem Überwachungsbereich überwacht wird, wobei ein Brennstoff-Luft-Gemisch im Überwachungsbereich an einem ersten Faser-Gewirk, das einen Hauptbereich überdeckt, vorbeigeführt wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Überwachungsbereich vom Faser-Gewirk freigehalten wird, sodass das Brennstoff-Luft-Gemisch im Überwachungsbereich ungehindert vom ersten Faser-Gewirk aus der Verteilerplatte austreten und zur geometrisch definierten Flammenbildung benutzt werden kann. Im Überwachungsbereich können dann anstelle des ersten Faser-Gewirkes andere Brennermedien wie ein zweites Faser-Gewirk oder ein Metallblech angeordnet werden, um die Verteilerplatte im Überwachungsbereich zu stützen und eine definierte Flammenbildung zu gewährleisten. Die im Zusammenhang mit dem Flächenbrenner erläuterten Merkmale und Vorteile ergeben sich damit auch im Zusammenhang mit dem Verfahren.
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Hierin zeigen:
    • Fig. 1
    einen Flächenbrenner in räumlicher Darstellung;
    Fig. 2
    einen Flächenbrenner in Draufsicht;
    Fig. 3
    einen Flächenbrenner einer ersten Ausführungsform im Schnitt;
    Fig. 4
    einen Flächenbrenner einer zweiten Ausführungsform im Schnitt;
    Fig. 5
    einen Flächenbrenner einer weiteren Ausführungsform im Schnitt;
    Fig. 6a
    einen Flächenbrenner einer weiteren Ausführungsform im Schnitt;
    Fig. 6b
    den Flächenbrenner nach Fig. 6a im Betriebszustand;
    Fig. 7
    eine weitere Ausführungsform des Flächenbrenners im Schnitt;
    Fig. 8
    ein Detail des Flächenbrenners im Schnitt und
    Fig. 9
    eine Düse des Flächenbrenners in Schnittansicht.
  • In Figur 1 ist ein Flächenbrenner 1 in räumlicher Darstellung dargestellt, der einen kastenförmigen Brennerrahmen 2 aufweist, in dem eine Mischkammer ausgebildet ist. Der Flächenbrenner 1 weist ein erstes Faser-Gewirk 3 auf, das zwischen den Seiten des Brennerrahmens 2 angeordnet ist. Das erste Faser-Gewirk 3 bildet dabei eine Brenneroberfläche.
  • Ein Überwachungsbereich 4 ist frei vom ersten Faser-Gewirk 3, sodass eine Verteilerplatte 5 zu sehen ist. Die Verteilerplatte 5 erstreckt sich über die gesamte Oberseite des Flächenbrenners 1 und ist außerhalb des Überwachungsbereichs 4 in einem Hauptbereich 6 vom ersten Faser-Gewirk 3 abgedeckt. In der Verteilerplatte 5 sind schlitzförmige Auslassöffnungen 7 ausgebildet, die jeweils senkrecht zum nächstliegenden Rand 8 des Überwachungsbereichs 4 verlaufen. Dadurch sind Wärmeleitwege, die Wärme vom Überwachungsbereich 4 in den Hauptbereich 6 transportieren, von den Auslassöffnungen 7 nicht unterbrochen, sodass eine gleichmäßige und schnelle Wärmeabfuhr erfolgen kann.
  • Ein Brennstoff-Luft-Gemisch, das sich in der Mischkammer innerhalb des Brennerrahmens 2 befindet, kann durch die Verteilerplatte 5 zur Brenneroberfläche oberhalb des ersten Faser-Gewirks 3 im Hauptbereich 6 und oberhalb der Verteilerplatte 5 im Überwachungsbereich 4 strömen. Damit gelangt das Brennstoff-Luft-Gemisch auf die von der Verteilerplatte 5 abgewandte Oberseite des ersten Faser-Gewirkes 3. Dort und direkt oberhalb der Verteilerplatte 5 im Überwachungsbereich 4 wird das Brennstoff-Luft-Gemisch gezündet und können sich dann die Flammen ausbilden.
  • Um im Überwachungsbereich 4 einen größeren Gemisch-Volumendurchsatz zu erreichen und damit eine kräftigere Flammenbildung zu generieren, können im Bereich des Überwachungsbereichs 4 der Verteilerplatte 5 mehrere und/oder größere Auslassöffnungen 7 vorgesehen sein als im Hauptbereich 6. Dadurch wird erreicht, dass die im Überwachungsbereich 4 erzeugten Flammen von der Verteilerplatte 5 abheben, sodass diese nicht thermisch überlastet wird. Gleichzeitig sorgt der größere Volumenstrom für eine zusätzliche Kühlung.
  • Am Rand 8, der einen Übergang zwischen Hauptbereich 6 und Überwachungsbereich 4 darstellt, ist das erste Faser-Gewirk 3, das als Metallfaser-Gewirk ausgebildet ist, mit der Verteilerplatte 5, die beispielsweise als perforiertes Edelstahlblech ausgebildet sein kann, verschweißt. Dadurch erfolgt zum einen eine Stabilisierung des ersten Faser-Gewirkes 3, und zum anderen wird sichergestellt, dass im Überwachungsbereich 4 keine Beeinflussung des Brennstoff-Luft-Gemisches durch das erste Faser-Gewirk 3 erfolgen kann. Unabhängig von einer Alterung des ersten Faser-Gewirkes 3 kann damit im Überwachungsbereich 4 eine definierte Flamme erzeugt werden und zur Luftzahlregelung, also Restsauerstoffüberwachung, genutzt werden.
  • In Figur 1 ist oberhalb des Überwachungsbereichs 4 keinerlei Faser-Gewirk oder anderes Brennermedium angeordnet. Es ist aber auch möglich, die Verteilerplatte 5 im Überwachungsbereich 4 mit einem gegenüber dem ersten Faser-Gewirk 3 leichteren und/oder dünneren zweiten Faser-Gewirk 21 abzudecken, um die Verteilerplatte 5 auch im Überwachungsbereich vor thermischer Belastung zu schützen. Das zweite Faser-Gewirk sollte dann einen geringeren Strömungswiderstand aufweisen als das erste Faser-Gewirk 3. Diese Ausgestaltung ist in Fig. 3 gezeigt.
  • In Figur 2 ist der Flächenbrenner 1 in Aufsicht dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung ist die Verteilerplatte 5 im Überwachungsbereich 4 durch ein Metallblech 9 abgedeckt, das definierte Öffnungen 10 aufweist. Das Metallblech 9 ist dabei als perforiertes Edelstahlblech ausgebildet.
  • Das erste Faser-Gewirk 3 ist am Rand 8 mit dem Metallblech 9 verschweißt. Zusätzlich ist das erste Faser-Gewirk 3 mit dem Brennerrahmen 2 verschweißt und so eindeutig positioniert. Im Überwachungsbereich 4 kann das erste Faser-Gewirk 3 damit keinen Einfluss auf die Flammenbildung nehmen. Vielmehr wird das Brennstoff-Luft-Gemisch durch das Metallblech 9 beziehungsweise dessen Öffnungen 10 geleitet, sodass eine definierte Flamme erzeugt werden kann.
  • Fig. 3 zeigt den Flächenbrenner nach Fig. 1 im Querschnitt. Im Überwachungsbereich 4 ist ein zweites, sehr viel leichteres und durchlässigeres Faser-Gewirk 21 aus Metallfasern angeordnet als im Hauptbereich 6, sodass das Brennstoff-Luft-Gemisch im Überwachungsbereich nicht oder kaum beeinflusst wird. Damit wird im Überwachungsbereich eine definierte Flamme erzeugt.
  • Fig. 4 zeigt eine gegenüber der Darstellung in Fig. 3 nur leicht abgewandelte Ausführungsform, bei der das zweite Faser-Gewirk 21 nicht als Metallfaser-Gewirk, sondern aus einem anderen Material gebildet ist. Im Übrigen entspricht der in Fig. 4 gezeigte Flächenbrenner der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform.
  • Figur 5 zeigt die Ausführungsform nach Figur 2 im Querschnitt. Die Mischkammer 11, die vom Brennerrahmen 2 umgeben ist, ist an ihrer Oberseite durch die Verteilerplatte 5 abgedeckt. Im Hauptbereich 6 befindet sich das erste Faser-Gewirk 3 auf der Verteilerplatte 5. Im Überwachungsbereich 4 befindet sich mit einem Abstand von etwa 1mm bis 3mm oberhalb der Verteilerplatte 5 das Metallblech 9. Dabei ist das Metallblech 9 an seiner dem Brennerrahmen 2 zugewandten Schmalseite 12 frei verschieblich am Brennerrahmen 2 gehalten (Loslager). An seiner gegenüberliegenden Schmalseite 13 ist das Metallblech 9 fest mit der Verteilerplatte 5 verbunden, sodass ein Festlager gebildet ist. In Längsrichtung kann sich das Metallblech 9 daher frei ausdehnen, sodass keine thermischen Spannungen auftreten.
  • Ein Brennstoff-Luft-Gemisch gelangt aus der Mischkammer 11 durch die Auslassöffnungen 7 der Verteilerplatte 5 und durchströmt im Hauptbereich 6 das erste Faser-Gewirk 3, sodass an einer von der Verteilerplatte 5 abgewandten Seite des ersten Faser-Gewirkes 3 Flammen ausgebildet werden können. Im Überwachungsbereich 4 durchströmt das Brennstoff-Luft-Gemisch die Öffnungen 10 des Metallblechs 9, sodass sich auf einer von der Verteilerplatte 5 abgewandten Seite des Metallblechs 9 eine definierte Flamme ausbildet. Die Verteilerplatte 5 wird also im Hauptbereich 6 vom ersten Faser-Gewirk 3 und im Überwachungsbereich 4 durch das Metallblech 9 vor einer thermischen Belastung durch die Flammen geschützt. Dementsprechend kann die Verteilerplatte 5 relativ dünn ausgebildet sein und beispielsweise eine Dicke von 0,6 mm aufweisen.
  • Im Überwachungsbereich 4 sind die Auslassöffnungen 7 im geringeren Abstand zueinander angeordnet als im Hauptbereich 6. Dadurch ist der Volumenstrom je Flächeneinheit im Überwachungsbereich 4 größer als im Hauptbereich 6.
  • Außerhalb des Flächenbrenners 1 und oberhalb des Überwachungsbereichs 4 ist eine Überwachungselektrode 14 angeordnet, mit dem die Leitfähigkeit des brennenden ionisierten Brennstoff-Luft-Gemisches erfasst wird. Daraus lässt sich die Luftzahl bzw. der Restsauerstoffgehalt bestimmen und damit eine Luftzahlregelung erreichen. Die Überwachungselektrode 14 wird daher auch als Ionisationselektrode bezeichnet.
  • In Figur 6a ist eine weitere Ausführungsform des Flächenbrenners 1 im Querschnitt dargestellt, die weitgehend den Ausführungsformen nach Figur 3 und Figur 5 entspricht. Allerdings weist die Verteilerplatte 5 im Überwachungsbereich 4 eine Unterbrechung (Aussparung) 15 auf. Das Brennstoff-Luft-Gemisch gelangt also aus der Mischkammer 11 durch die Unterbrechung 15 direkt zum Metallblech 9 und kann durch die Öffnungen 10 austreten. Dementsprechend ist ein Strömungswiderstand im Überwachungsbereich 4 sehr klein und insbesondere deutlich kleiner als im Hauptbereich 6. Damit ergibt sich beispielsweise eine doppelt so große Durchströmung und damit eine abhebende Flamme im Überwachungsbereich 4, wodurch eine thermische Belastung des Metallblechs 9 kleingehalten wird. Gleichzeitig wird eine kräftige Flamme auch dann sichergestellt, wenn nur eine geringe Leistung vom Flächenbrenner 1 gefordert ist und dementsprechend relativ wenig Brennstoff-Luft-Gemisch zugeführt wird.
  • In Fig. 6b ist der Flächenbrenner 1 im Betriebs-Zustand dargestellt, bei dem Flammen 22 an der Brenneroberfläche durch ausströmendes Brennstoff-Luft-Gemisch gezündet sind. Im Überwachungsbereich 4 ist dabei eine sehr viel kontrolliertere, definierte Flamme ausgebildet als im Hauptbereich 6.
  • Im Übrigen entspricht der Flächenbrenner 1 in Figur 6a und 6b der Ausführungsform nach Figur 5.
  • In Figur 7 ist eine weitere Ausgestaltung des Flächenbrenners 1 im Querschnitt dargestellt, wobei die gesamte Brenneroberfläche, also sowohl der Hauptbereich 6 als auch der Überwachungsbereich 4 vom ersten Faser-Gewirk 3 abgedeckt ist. Damit im Überwachungsbereich 4 keine Beeinflussung des Brennstoff-Luft-Gemisches erfolgt, sind im Überwachungsbereich 4 Düsen 16 vorgesehen, die das erste Faser-Gewirk 3 durchdringen. Dafür werden Maschen des ersten Faser-Gewirkes 3 durch die Düsen 16 aufgeweitet, wodurch das erste Faser-Gewirk 3 kraftschlüssig und/oder formschlüssig an den Düsen 16 gehalten wird. Die Düsen 16 sind dabei in die Verteilerplatte 5 eingenietet und stellen eine Fluid leitende Verbindung zur Mischkammer 11 her.
  • Figur 8 zeigt eine Ausführungsform des Flächenbrenners 1, bei dem die Düsen 16 nicht wie bei der Ausführungsform nach Figur 7 eingenietet sind, sondern mittels Tiefziehen einstückig aus der Verteilerplatte 5 ausgeformt worden sind. Damit ergeben sich sehr günstige Strömungsverhältnisse. Um eine sichere Fixierung des ersten Faser-Gewirkes 3 insbesondere im Bereich des Überwachungsbereichs 4 zu erhalten, damit das erste Faser-Gewirk 3 keine Düsenöffnungen abdecken kann, ist das erste Faser-Gewirk 3 im Überwachungsbereich 4 mit der Verteilerplatte 5 verschweißt, wobei einzelne Schweißpunkte ausreichend sind.
  • Figur 9 zeigt eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausgestaltung der Düsen 16. Die Düse 16 weist dabei einen auf der Längsachse 17 liegenden Austrittskanal 18 und zwei seitliche Austrittskanäle 19, 20 auf. Damit ergibt sich eine sehr gleichmäßige Verteilung des Brennstoff-Luft-Gemischs oberhalb des Überwachungsbereichs 4 und damit eine kräftige Flamme mit leichter und von Brenner zu Brenner reproduzierbarer Ionisationsmessung.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Flächenbrenners 1 wird das grundsätzliche Problem der Flammenstreuung im Überwachungsbereich 4, dem eine Überwachungselektrode 14 zugeordnet ist, dadurch vermieden, dass eine Beeinflussung der Strömung des Brennstoff-Luft-Gemisches durch das erste Faser-Gewirk 3 verhindert wird, indem das erste Faser-Gewirk 3 in diesem Bereich ausgeschnitten ist. Stattdessen wird im Überwachungsbereich 4 entweder überhaupt kein Brennermedium angeordnet, sodass die Flammen direkt oberhalb der Verteilerplatte ausgebildet werden, oder es werden Brennermedien verwendet, die einen geringeren Strömungswiderstand und/oder definiertere Strömungsverhältnisse bieten, als das erste Faser-Gewirk 3. Dementsprechend wird im Überwachungsbereich entweder ein leichteres zweites Faser-Gewirk angeordnet, das einen geringeren Strömungswiderstand aufweist, oder ein Metallblech mit Öffnungen, das keiner Alterung wie das Faser-Gewirk unterliegt und mit hoher Wiederholgenauigkeit gefertigt und montiert werden kann. Um eine stärkere Durchströmung des Überwachungsbereichs gegenüber dem Hauptbereich zu erreichen, ist die Verteilerplatte 5 im Bereich des Überwachungsbereichs mit einer größeren Anzahl von Auslassöffnungen versehen. Es ist auch denkbar, die Verteilerplatte im Bereich des Überwachungsbereichs zu unterbrechen, also beispielsweise auszuschneiden.
  • Durch diese Ausgestaltungen wird erreicht, dass das Flammenbild im Überwachungsbereich sehr definiert erzeugt werden kann. Dabei wird eine ungekühlte Fläche der Verteilerplatte im Überwachungsbereich sehr gering gehalten, sodass eine gute Wärmeableitung erfolgen kann. Es wird so eine exakte Definition der Ausströmung des Brennstoff-Luft-Gemisches erhalten und so eine definierte Flamme erzeugt, die sich auch über einen längeren Zeitraum nicht ändert.

Claims (18)

  1. Flächenbrenner mit einer Verteilerplatte und einer Brenneroberfläche, die zumindest ein erstes Faser-Gewirk aufweist, und mit einer Mischkammer, aus der ein Brennstoff-Luft-Gemisch durch die Verteilerplatte zur Brenneroberfläche geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerplatte einen Überwachungsbereich und einen Hauptbereich aufweist, wobei das Brennstoff-Luft-Gemisch im Hauptbereich das erste Faser-Gewirk durchströmt und im Überwachungsbereich vom ersten Faser-Gewirk unbeeinflusst ist.
  2. Flächenbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überwachungsbereich sehr viel kleiner ausgebildet ist als der Hauptbereich, wobei der Überwachungsbereich eine Größe von insbesondere 5 cm2 bis 15 cm2, insbesondere von ca. 10 cm2 aufweist.
  3. Flächenbrenner nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerplatte zumindest im Überwachungsbereich schlitzförmige Auslassöffnungen aufweist, die senkrecht zum jeweils nächstliegenden Rand des Überwachungsbereichs verlaufen.
  4. Flächenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerplatte im Überwachungsbereich durchlässiger für das Brennstoff-Luft-Gemisch ist als im Hauptbereich.
  5. Flächenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerplatte im Überwachungsbereich eine höhere Dicke aufweist als im Hauptbereich.
  6. Flächenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Faser-Gewirk an einem Übergang zwischen Hauptbereich und Überwachungsbereich an der Verteilerplatte fixiert, insbesondere verschweißt ist.
  7. Flächenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Überwachungsbereich frei vom ersten Faser-Gewirk ist.
  8. Flächenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerplatte im Überwachungsbereich von einem zweiten Faser-Gewirk überdeckt ist, das einen geringeren Strömungswiderstand aufweist als das erste Faser-Gewirk und einen Teil der Brenneroberfläche bildet.
  9. Flächenbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Faser-Gewirk mit dem zweiten Faser-Gewirk verbunden, insbesondere verschweißt ist.
  10. Flächenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerplatte im Überwachungsbereich mit einem perforierten, temperaturbeständigen Metallblech überdeckt ist, das einen Teil der Brenneroberfläche bildet.
  11. Flächenbrenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech in einer Längsrichtung frei dehnbar gehalten ist.
  12. Flächenbrenner nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerplatte im Überwachungsbereich unterbrochen ist.
  13. Flächenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Faser-Gewirk im Überwachungsbereich von Düsen durchdrungen ist.
  14. Flächenbrenner nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Faser-Gewirk an den Düsen kraftschlüssig und/oder formschlüssig gehalten ist.
  15. Flächenbrenner nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen Austrittskanäle aufweisen, die in einem Winkel größer oder gleich 0° und kleiner als 90° zu einer Düsenlängsachse verlaufen.
  16. Flächenbrenner nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen mit der Verteilerplatte verbunden sind, insbesondere verschweißt oder vernietet sind.
  17. Flächenbrenner nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen einstückig mit der Verteilerplatte ausgebildet sind, insbesondere tiefgezogen sind.
  18. Verfahren zur Überwachung einer Flammenbildung bei einem Flächenbrenner insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flammenbildung in einem Überwachungsbereich insbesondere mit einer Überwachungselektrode überwacht wird, wobei ein Brennstoff-Luft-Gemisch im Überwachungsbereich an einem ersten Faser-Gewirk, das einen Hauptbereich überdeckt, vorbei geführt wird.
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