EP3495735A1 - Vollvormischender gasbrenner - Google Patents

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EP3495735A1
EP3495735A1 EP18203648.3A EP18203648A EP3495735A1 EP 3495735 A1 EP3495735 A1 EP 3495735A1 EP 18203648 A EP18203648 A EP 18203648A EP 3495735 A1 EP3495735 A1 EP 3495735A1
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guide
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Frank Altendorf
Thomas Ernst
Jan Heitmann
Markus Polus
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Vaillant GmbH
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    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
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    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
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    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details
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    • F23D2208/00—Control devices associated with burners
    • F23D2208/10—Sensing devices

Definitions

  • Fully premixing gas burners are charged with an ignitable fuel gas-air mixture which burns on the surface of the burner.
  • the diaphragms and flow straightener are installed in the flow path to achieve uniform flame distribution by homogenizing the internal combustion pressure.
  • the burners must be monitored for the presence of a flame.
  • an ionization electrode is usually installed just above the burner surface. In the presence of a flame, a current flow through the flame can be measured. When the flame goes out, the flow of current breaks off; a control evaluates this signal and closes the fuel gas supply.
  • the object of the invention is to provide a fully premixing burner, which enables a sufficient flame in the region of the ionization electrode even at very low surface loads.
  • This object is achieved in that upstream of the burner surface of a fully premixing burner, a corresponding guide is integrated, which allows a stronger deflection in the direction of the ionization.
  • a flow guide is introduced upstream of the burner surface in the flow direction.
  • the flow guide is designed so that a defined portion of the flow cross-section in the fuel gas-air path is tapped off in front of the burner surface and directed to a limited exit region of the burner surface.
  • the proportion of this exit surface relative to the entire burner exit surface is smaller than the proportion of the tapped entry surface of the fuel gas-air mixture flow relative to the entire flow cross-section of the fuel gas-air mixture flow in the inlet region of the flow guide according to the invention. Locally, an increase in the flow velocity and the volume flow of the fuel gas-air mixture is effected.
  • a ionization current-based fuel gas-air mixture control is thus provided at significantly lower loads a sufficiently high and stable measurement signal for control available, whereby load modulations of 1:20 are made possible.
  • the figures show a premix burner 1 for a fuel gas-air mixture, with a feed 2 for the fuel gas-air mixture.
  • the premix burner 12 has a cylindrical burner surface 3; underneath there is concentrically a perforated inner cylinder 5.
  • On one side of the cylindrical burner surface 3 is the circular feed 2, around which an annular burner flange 9 is connected to the burner surface 3 and the inner cylinder 5.
  • the burner flange 9 could also be connected only to the burner surface 3 or the inner cylinder 5.
  • the burner flange 9 has a notch 10.
  • On one side of the cylindrical burner surface 3 is an end plate 6 which closes the premix burner 1 on this side.
  • a pyramidal guide 4 is arranged in a portion of the feeder 2.
  • the guide device 4 has within the burner flange 9 via a circular segment-shaped open inlet surface, which constitutes about one-eighth of the inlet surface of the feeder 2.
  • the guide device 4 further has two flat surfaces 41, 42, which lead from the feed 2 to a portion of the burner surface 3 and in this case form a pyramid segment.
  • the two surfaces 41, 42 terminate at the inner cylinder 5.
  • Das Pyramid segment covers about 1/32 of the inner cylinder 5 from.
  • the guide device 4 is located below the notch 10 in the burner flange 9, so that it can be detected from the outside, where the inner guide 4 is located.
  • the ratio of the area covered by the burner flange 9 in the feed 2 to the portion therein, which is covered by the guide 4, is thus 8: 1, while the ratio of the total burner surface to the portion therein, which is covered by the guide 4, 32 : 1 is.
  • the proportion of the cover at the inlet is thus greater by a factor of 4 than at the outlet, which illustrates that a relatively large proportion is diverted from the inlet to a relatively small proportion at the outlet. In particular, in the case of a homogenized flow inlet into the burner, this results in a sufficient flow of the monitored area.
  • the premix burner 1 is mounted in such a way that an ionization electrode 7 is located on the other side of the burner surface 3 with respect to the guide 4, in which the notch 10 is below the ionization electrode 7 in a device according to the embodiment in the mounted state.
  • fuel gas-air mixture flows through the feed 2 into the cylindrical interior of the premix burner 1.
  • the perforated inner cylinder 5 ensures a uniform distribution of the fuel gas-air mixture on the burner surface 3. Deviating from this, the proportion of the fuel gas-air mixture, which flows in the feed 2 in the guide 4, mainly in the overlying area of the Burner surface 3 out.
  • the quantity of the deflection can be determined by the choice of a perforation of the guide 4. In a closed guide 4, the entire incoming fuel gas-air mixture is directed into the area above the burner surface 3. The higher the perforation, the more fuel gas and air mixture can also flow from the guide 4 in other areas of the burner surface 3.
  • a flame 8 which surrounds the premix burner 1.
  • the flame 8 in the region of the guide 4 is greater than in the remaining region of the burner surface 3.
  • the surface load above the guide 4 is greater than in the remaining area and with appropriate dimensions sufficient to the ionization electrode arranged above 7th to provide a sufficient signal.
  • the positioning of the guide 4 to notch 10 would be arbitrarily designed. It is only essential that by means of the notch 10, the position of the guide 4 is defined defined and thus when installing the premix burner 1 is positioned so that the ionization 7 is located on the other side of the burner surface 3 with respect to the guide 4.
  • the guide device 4 may optionally be configured conical, cylindrical, spherical or cube-shaped.
  • the inner cylinder 5 may be perforated or not perforated.
  • the burner surface load is increased in a defined area of the surface of a burner for gas-fired heaters and thus optimized for flame monitoring. This is when used with measuring means for the quantitative determination of the ionization, usually of ignition / ionization, above this burner surface area on or in the flame measured a relatively high ionization current, which would not be measurable with homogeneous distribution.
  • the invention ensures a necessary for this scheme and stable control signal over an increased modulation range of the heat load.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Vormischbrenner (1) für ein Brenngas-Luft-Gemisch, mit einer Zuführung (2) für das Brenngas-Luft-Gemisch sowie einer Brennerfläche (3), dass in der Zuführung (2) eine Leitvorrichtung (4) angeordnet ist, welche sich in einen Teilbereich der Zuführung (2) befindet und über Flächen (41, 42) verfügt, welche von der Zuführung (2) zu einen Teilbereich der Brenneroberfläche (3) führen.

Description

  • Vollvormischende Gasbrenner werden mit einem zündfähigen Brenngas-Luft-Gemisch beaufschlagt, welches an der Oberfläche des Brenners verbrennt. Vor der Brennerfläche werden Blenden und Strömungsgleichrichter in den Strömungsweg eingebaut, um über eine Homogenisierung des Brennerinnendrucks eine gleichförmige Flammenverteilung zu erzielen.
  • Die Brenner müssen bezüglich des Vorhandenseins einer Flamme überwacht sein. Hierzu wird zumeist eine lonisationselektrode knapp oberhalb der Brenneroberfläche installiert. Beim Vorhandensein einer Flamme kann ein Stromfluss durch die Flamme gemessen werden. Beim Erlöschen der Flamme reißt der Stromfluss ab; eine Regelung wertet dieses Signal aus und schließt die Brenngaszufuhr.
  • Bei vielen Anwendungsfällen wird in der Heizungstechnik ein großer Modulationsbereich, ein Bereich zwischen Minimal- und Maximalleistung, gewünscht. Üblicherweise ist man bemüht, übe die gesamte Brennerfläche eine konstante Flächenbelastung zu erzielen.
  • Bei geringen Flächenlasten ergibt sich dabei das Problem, dass diese so klein werden kann, dass die lonisationselektrode nicht oder nur teilweise in die Flamme ragt und somit eine Flamme nur bedingt diagnostiziert werden kann.
  • Aus EP 1036984 B3 ist daher bekannt, bei zylindrischen Brenneroberflächen in einem Bereich radial um den gesamten Brennerumfang mehr oder größere Öffnungen vorzusehen, so dass in diesem Bereich mehr Brenngas-Luft-Gemisch ausströmt und somit eine größere Flamme als im restlichen Bereich entsteht, so dass dort einfacher eine Flamme detektiert werden kann.
  • Obwohl dies eine lokale Erhöhung der Brennerflächenbelastung und somit eine Verstärkung des lonisationsstroms bewirken, ist diese jedoch nicht ausreichend, um innerhalb einer Belastungsmodulationen von 1:20 (beispielsweise 1kW bis 20kW) stets eine ausreichende Flamme an der lonisationselektrode zu gewährleisten.
  • Aufgabe der Erfindung ist einen vollvormischenden Brenner zu schaffen, welcher auch bei sehr geringen Flächenbelastungen eine ausreichende Flamme im Bereich der lonisationselektrode ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass stromauf der Brenneroberfläche eines vollvormischenden Brenners eine entsprechende Leiteinrichtung integriert ist, welche eine verstärkte Umlenkung in Richtung der lonisationselektrode ermöglicht.
  • Zur signifikanten Erhöhung der Brennerflächenbelastung im Bereich der lonisationselektrode wird erfindungsgemäß eine Strömungsführung in Strömungsrichtung vor der Brenneroberfläche eingebracht. Die Strömungsführung ist so ausgeführt, dass ein definierter Anteil des Strömungsquerschnitts im Brenngas-Luft-Weg vor der Brenneroberfläche abgegriffen und auf einen begrenzten Austrittsbereich der Brenneroberfläche geleitet wird. Der Anteil dieser Austrittsfläche relativ zur gesamten Brenneraustrittsfläche ist hierbei kleiner als der Anteil der abgegriffenen Eintrittsfläche der Brenngas-Luft-Gemischströmung relativ zum gesamten Strömungsquerschnitt der Brenngas-Luft-Gemischströmung im Eintrittsbereich der erfindungsgemäßen Strömungsführung. Lokal wird eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und des Volumenstroms des Brenngas-Luft-Gemisches bewirkt. Es kommt zu einer lokalen Erhöhung der Brennerflächenbelastung und somit einer Anhebung des gemessenen lonisationsstroms mit einer lonisationselektrode im Brennerbetrieb in diesem Bereich. Einer ionisationsstrombasierten Brenngas-Luft-Gemischregelung wird somit bei deutlich kleineren Belastungen ein ausreichend hohes und stabiles Messsignal zur Regelung zur Verfügung gestellt, wodurch Belastungsmodulationen von 1:20 ermöglicht werden.
  • Die Erfindung wird nun detailliert anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Hierbei zeigen:
    • Figur 1 einen erfindungsgemäßen Vormischbrenner in perspektivischer Ansicht sowie
    • Figur 2 denselben Vormischbrenner im Betrieb im Schnitt.
  • Die Figuren zeigen einen Vormischbrenner 1 für ein Brenngas-Luft-Gemisch, mit einer Zuführung 2 für das Brenngas-Luft-Gemisch. Der Vormischbrenner 12 verfügt über eine zylindrische Brennerfläche 3; darunter befindet sich konzentrisch ein perforierter Innenzylinder 5. Auf der einen Seite der zylindrischen Brennerfläche 3 befindet sich die runde Zuführung 2, um die herum ein ringförmiger Brennerflansch 9 mit der Brennerfläche 3 sowie dem Innenzylinder 5 verbunden ist. Optional könnte der Brennerflansch 9 auch lediglich mit der Brennerfläche 3 oder dem Innenzylinder 5 verbunden sein. Der Brennerflansch 9 verfügt über eine Einkerbung 10. Auf der einen Seite der zylindrischen Brennerfläche 3 befindet sich eine Endplatte 6, welche den Vormischbrenner 1 auf dieser Seite verschließt.
  • In einen Teilbereich der Zuführung 2 ist eine pyramidenförmige Leitvorrichtung 4 angeordnet. Die Leitvorrichtung 4 verfügt innerhalb des Brennerflansches 9 über eine kreissegmentsförmige offene Eintrittsfläche, welche etwa ein Achtel der Eintrittsfläche der Zuführung 2 ausmacht. Die Leitvorrichtung 4 verfügt ferner über zwei ebene Flächen 41, 42, welche von der Zuführung 2 zu einen Teilbereich der Brenneroberfläche 3 führen und hierbei ein Pyramidensegment bilden. Die beiden Flächen 41, 42 enden am Innenzylinder 5. Das Pyramidensegment deckt dabei etwa 1/32 des Innenzylinders 5 ab. Die Leitvorrichtung 4 befindet sich unterhalb der Einkerbung 10 im Brennerflansch 9, so dass auch von außen erkannt werden kann, wo sich die innere Leitvorrichtung 4 befindet.
  • Das Verhältnis der von dem Brennerflansch 9 umfassten Fläche in der Zuführung 2 zum Anteil darin, welcher von der Leiteinrichtung 4 abgedeckt wird, beträgt somit 8:1, während das Verhältnis der gesamten Brenneroberfläche zum Anteil darin, welcher von der Leiteinrichtung 4 abgedeckt wird, 32:1 beträgt. Der Anteil der Abdeckung beim Eintritt ist somit um den Faktor 4 größer ist als beim Austritt, was verdeutlicht, dass ein relativ großer Anteil vom Eintritt auf einen relativ kleinen Anteil beim Austritt umgelenkt wird Insbesondere bei einem homogenisierten Strömungseintritt in den Brenner wird hierdurch eine ausreichende Anströmung des Überwachungsbereichs erreicht.
  • Der Vormischbrenner 1 wird derartig montiert, dass sich eine lonisationselektrode 7 auf der anderen Seite der Brennerfläche 3 gegenüber der Leiteinrichtung 4 befindet, indem bei einer Vorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel im montierten Zustand sich die Einkerbung 10 unterhalb der lonisationselektrode 7 befindet.
  • Beim Betrieb des Vormischbrenners 1 strömt Brenngas-Luft-Gemisch durch die Zuführung 2 in den zylindrischen Innenraum des Vormischbrenners 1 ein. Der perforierte Innenzylinder 5 sorgt für eine gleichmäßige Verteilung des Brenngas-Luft-Gemischs auf die Brenneroberfläche 3. Abweichend hiervon wird der Anteil des Brenngas-Luft-Gemischs, welcher bei der Zuführung 2 in die Leiteinrichtung 4 strömt, vorwiegend in den darüber liegenden Bereich der Brenneroberfläche 3 geführt. Die Quantität der Umlenkung lässt sich durch die Wahl einer Performation der Leiteinrichtung 4 bestimmten. Bei einer geschlossenen Leiteinrichtung 4 wird das gesamte einströmende Brenngas-Luft-Gemisch in den darüber liegenden Bereich der Brenneroberfläche 3 gelenkt. Je höher die Performation ist, desto mehr Brenngas-Luft-Gemisch kann auch aus der Leiteinrichtung 4 in andere Bereiche der Brenneroberfläche 3 strömen.
  • Durch oben beschriebene Maßnahmen wird der Bereiche der Brenneroberfläche 3 oberhalb der Leiteinrichtung 4 mehr von Brenngas-Luft-Gemisch durchströmt als der Rest der Brenneroberfläche 3. Oberhalb der Brenneroberfläche 3 bildet sich nach einer Zündung eine Flamme 8, welche den Vormischbrenner 1 umgibt. Hierbei ist die Flamme 8 im Bereich der Leiteinrichtung 4 größer als im restlichen Bereich der Brenneroberfläche 3. Gerade bei kleiner Belastung des Vormischbrenners 1 ist die Flächenbelastung oberhalb der Leiteinrichtung 4 größer als im restlichen Bereich und bei entsprechender Dimensionierung ausreichend, um der darüber angeordneten lonisationselektrode 7 ein ausreichendes Signal liefern zu können.
  • Optional wäre die Positionierung von Leitvorrichtung 4 zu Einkerbung 10 beliebig gestaltbar. Wesentlich ist lediglich, dass mittels der Einkerbung 10 die Position der Leiteinrichtung 4 definiert bestimmbar ist und somit beim Einbau der Vormischbrenner 1 so positioniert wird, dass die lonisationselektrode 7 sich auf der anderen Seite der Brennerfläche 3 gegenüber der Leiteinrichtung 4 befindet.
  • Die Leitvorrichtung 4 kann optional auch kegel-, zylinder-, kugel oder würfelförmig ausgestaltet sein.
  • Der Innenzylinder 5 kann perforiert oder nicht perforiert sein.
  • Hierdurch wird erfindungsgemäß erreicht, dass in einem definierten Bereich der Oberfläche eines Brenners für gasbefeuerte Heizgeräte die Brennerflächenbelastung erhöht und somit für eine Flammenüberwachung optimiert wird. Hierdurch wird bei einem Einsatz mit Messmitteln zur quantitativen Bestimmung des lonisationsstrom, in der Regel von Zünd-/ lonisationselektroden, oberhalb dieses Brenneroberflächenbereichs an beziehungsweise in der Flamme ein relativ hoher lonisationsstrom gemessen, welcher bei homogener Verteilung nicht messbar wäre.
  • Im Rahmen einer ionisationsstrombasierten Regelung des Gas-Luft-Gemischs in oben genannten Heizgeräten gewährleistet die Erfindung ein für diese Regelung notwendiges und stabiles Regelsignal über einen vergrößerten Modulationsbereich der Wärmebelastung.
    • Bezuaszeichenliste
    • 1 Vormischbrenner
    • 2 Zuführung
    • 3 Brennerfläche
    • 4 Leitvorrichtung
    • 41, 42 Flächen der Leitvorrichtung
    • 5 Innenzylinder
    • 6 Endplatte
    • 7 lonisationselektrode
    • 8 Flamme
    • 9 Brennerflansch
    • 10 Einkerbung

Claims (3)

  1. Vormischbrenner (1) für ein Brenngas-Luft-Gemisch, mit einer Zuführung (2) für das Brenngas-Luft-Gemisch sowie einer Brennerfläche (3),
    dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuführung (2) eine Leitvorrichtung (4) angeordnet ist, welche sich in einen Teilbereich der Zuführung (2) befindet und über Flächen (41, 42) verfügt, welche von der Zuführung (2) zu einen Teilbereich der Brenneroberfläche (3) führen, und dass die Zuführung (2) von einem Brennerflansch (9) umrandet ist und das Verhältnis der von dem Brennerflansch (9) umfassten Fläche in der Zuführung (2) zum Anteil darin, welcher von der Leiteinrichtung (4) abgedeckt wird, um einen Faktor 2 bis 8, vorzugsweise 4 größer ist als das Verhältnis der gesamten Brenneroberfläche zum Anteil darin, welcher von der Leiteinrichtung (4) abgedeckt wird.
  2. Vormischbrenner nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung (4) kegel-, pyramiden-, zylinder- oder würfelförmig ist.
  3. Vormischbrenner nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung (4) perforiert ist.
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