EP3495735B1 - Vollvormischender gasbrenner - Google Patents

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EP3495735B1
EP3495735B1 EP18203648.3A EP18203648A EP3495735B1 EP 3495735 B1 EP3495735 B1 EP 3495735B1 EP 18203648 A EP18203648 A EP 18203648A EP 3495735 B1 EP3495735 B1 EP 3495735B1
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burner
supply
guiding device
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air mixture
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Frank Altendorf
Thomas Ernst
Jan Heitmann
Markus Polus
Uwe Schürbrock
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Vaillant GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/12—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods
    • 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
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/60—Devices for simultaneous control of gas and combustion air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
    • F23D14/70—Baffles or like flow-disturbing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2203/00—Gaseous fuel burners
    • F23D2203/10—Flame diffusing means
    • F23D2203/101—Flame diffusing means characterised by surface shape
    • F23D2203/1012—Flame diffusing means characterised by surface shape tubular
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2203/00—Gaseous fuel burners
    • F23D2203/10—Flame diffusing means
    • F23D2203/102—Flame diffusing means using perforated plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2208/00—Control devices associated with burners
    • F23D2208/10—Sensing devices

Definitions

  • 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 stops; a control system evaluates this signal and closes the fuel gas supply.
  • the object of the invention is to create a fully premixing burner which enables a sufficient flame in the area of the ionization electrode even with very low surface loads.
  • this object is achieved by claim 1, a corresponding guide device being integrated upstream of the burner surface of a fully premixing burner, which enables an increased deflection in the direction of the ionization electrode.
  • a flow guide forming a pyramid segment is introduced in the direction of flow in front of the burner surface.
  • the flow guidance is designed in such a way that a defined proportion of the flow cross-section in the fuel gas-air path is tapped in front of the burner surface and directed to a limited outlet area of the burner surface.
  • the proportion of this exit area relative to the entire burner exit area is smaller than the proportion of the tapped entry area of the fuel gas-air mixture flow relative to the entire flow cross-section of the fuel gas-air mixture flow in the entry area of the flow guide according to the invention.
  • the flow velocity and the volume flow of the fuel gas-air mixture are increased locally.
  • An ionization current-based fuel gas-air mixture control is thus provided with a sufficiently high and stable measurement signal for control at significantly lower loads, which enables load modulations of 1:20.
  • 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; A perforated inner cylinder 5 is located concentrically below it. On one side of the cylindrical burner surface 3 is the round feed 2, around which an annular burner flange 9 with the burner surface 3 and the Inner cylinder 5 is connected. Optionally, the burner flange 9 could also only be connected 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 there is an end plate 6 which closes the premix burner 1 on this side.
  • a pyramid-shaped guide device 4 is arranged in a partial area of the feed 2.
  • the guide device 4 has within the burner flange 9 an open entry area in the shape of a segment of a circle, which makes up approximately one eighth of the entry area of the feed 2.
  • the guide device 4 also has two flat surfaces 41, 42, which lead from the feed 2 to a partial area of the burner surface 3 and hereby form a pyramid segment.
  • the two surfaces 41, 42 end at the inner cylinder 5.
  • the pyramid segment covers about 1/32 of the inner cylinder 5.
  • the guide device 4 is located below the notch 10 in the burner flange 9, so that it can also be recognized from the outside where the inner guide device 4 is located.
  • the ratio of the area encompassed by the burner flange 9 in the feed 2 to the portion therein which is covered by the guide device 4 is thus 8: 1, while the ratio of the total burner surface to the portion therein which is covered by the guide device 4 is 32 : 1 is.
  • the portion of the cover at the entrance is therefore by a factor of 4 larger than at the exit, which makes it clear that a relatively large proportion is diverted from the entrance to a relatively small proportion at the exit, in particular with a homogenized flow entry into the burner, this results in a sufficient flow of the monitoring area reached.
  • 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 opposite the guide device 4, in that in a device according to the exemplary embodiment, the notch 10 is located below the ionization electrode 7 in the mounted state.
  • the fuel gas-air mixture flows through the feed 2 into the cylindrical interior of the premix burner 1.
  • the perforated inner cylinder 5 ensures an even distribution of the fuel gas-air mixture on the burner surface 3. Deviating from this, the portion of the fuel gas-air mixture which flows into the guide device 4 at the feeder 2 is predominantly in the area above Burner surface 3 out.
  • the quantity of the deflection can be determined by choosing a perforation of the guide device 4. In the case of a closed guide device 4, the entire inflowing fuel gas-air mixture is directed into the region of the burner surface 3 located above it. The higher the perforation, the more fuel gas-air mixture can flow out of the guide device 4 into other areas of the burner surface 3.
  • the area of the burner surface 3 above the guide device 4 has more fuel gas-air mixture flowing through it than the rest of the burner surface 3.
  • a flame 8 is formed after ignition, which surrounds the premix burner 1.
  • the flame 8 in the area of the guide device 4 is larger than in the remaining area of the burner surface 3.
  • the surface loading above the guide device 4 is greater than in the remaining area and, with appropriate dimensions, is sufficient to remove the ionization electrode 7 arranged above to be able to deliver a sufficient signal.
  • the positioning of the guide device 4 in relation to the notch 10 could be designed as desired. It is only essential that the position of the guide device 4 can be determined in a defined manner by means of the notch 10 and that the premix burner 1 is thus positioned during installation such that the ionization electrode 7 is on the other side of the burner surface 3 opposite the guide device 4.
  • the inner cylinder 5 can be perforated or not perforated.
  • the burner surface loading is increased in a defined area of the surface of a burner for gas-fired heating devices and is thus optimized for flame monitoring.
  • measuring means for the quantitative determination of the ionization current usually ignition / ionization electrodes
  • a relatively high ionization current is measured above this burner surface area on or in the flame, which would not be measurable with a homogeneous distribution.
  • the invention ensures a stable control signal necessary for this regulation over an enlarged modulation range of the heat load.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Gas Burners (AREA)

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 Brennerfläche 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 der Patentanmeldung EP 2 177 830 A1 ist ein Vormischbrenner für ein Brenngas-Luft-Gemisch nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt. Um das Messsignal einer über der Brennerfläche angeordneten lonisationselektrode zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass der Gasbrenner in einem der lonisationselektrode zugeordneten Bereich einen Gemischzufuhrraum aufweist, der durch eine Abtrennung von dem übrigen Bereich des Gemischzufuhrraumes getrennt ist. Der Gemischzufuhrraum ist so aufgebaut ist, dass das Gas-Luft-Gemisch in dem der lonisationselektrode (2) zugeordneten Bereich (26) einen höheren Druck aufweist als in dem übrigen Bereich (27).
  • Aus EP 1036984 B3 ist daher bekannt, bei zylindrischen Brennerflächen 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 durch Anspruch 1 gelöst, wobei stromauf der Brennerfläche eines vollvormischenden Brenners eine entsprechende Leitvorrichtung integriert ist, welche eine verstärkte Umlenkung in Richtung der lonisationselektrode ermöglicht.
  • Zur signifikanten Erhöhung der Brennerflächenbelastung im Bereich der lonisationselektrode wird erfindungsgemäß eine ein Pyramidensegment bildende Strömungsführung in Strömungsrichtung vor der Brennerfläche eingebracht. Die Strömungsführung ist so ausgeführt, dass ein definierter Anteil des Strömungsquerschnitts im Brenngas-Luft-Weg vor der Brennerfläche abgegriffen und auf einen begrenzten Austrittsbereich der Brennerfläche 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 Brennerfläche 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 Leitvorrichtung 4 abgedeckt wird, beträgt somit 8:1, während das Verhältnis der gesamten Brennerfläche zum Anteil darin, welcher von der Leitvorrichtung 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 Leitvorrichtung 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 Brennerfläche 3. Abweichend hiervon wird der Anteil des Brenngas-Luft-Gemischs, welcher bei der Zuführung 2 in die Leitvorrichtung 4 strömt, vorwiegend in den darüber liegenden Bereich der Brennerfläche 3 geführt. Die Quantität der Umlenkung lässt sich durch die Wahl einer Performation der Leitvorrichtung 4 bestimmten. Bei einer geschlossenen Leitvorrichtung 4 wird das gesamte einströmende Brenngas-Luft-Gemisch in den darüber liegenden Bereich der Brennerfläche 3 gelenkt. Je höher die Performation ist, desto mehr Brenngas-Luft-Gemisch kann auch aus der Leitvorrichtung 4 in andere Bereiche der Brennerfläche 3 strömen.
  • Durch oben beschriebene Maßnahmen wird der Bereiche der Brennerfläche 3 oberhalb der Leitvorrichtung 4 mehr von Brenngas-Luft-Gemisch durchströmt als der Rest der Brennerfläche 3. Oberhalb der Brennerfläche 3 bildet sich nach einer Zündung eine Flamme 8, welche den Vormischbrenner 1 umgibt. Hierbei ist die Flamme 8 im Bereich der Leitvorrichtung 4 größer als im restlichen Bereich der Brennerfläche 3. Gerade bei kleiner Belastung des Vormischbrenners 1 ist die Flächenbelastung oberhalb der Leitvorrichtung 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 Leitvorrichtung 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 Leitvorrichtung 4 befindet.
  • 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-/ Ionisationselektroden, oberhalb dieses Brennerflächenbereichs 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.
    • Bezugszeichenliste
    • 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 (2)

  1. Vormischbrenner (1) für ein Brenngas-Luft-Gemisch, mit einer Zuführung (2) für das Brenngas-Luft-Gemisch sowie einer zylindrischen Brennerfläche (3) mit einem sich konzentrisch
    darunter befindenden perforierten Innenzylinder (5), wobei 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 Brennerfläche (3) führen, und dass die Zuführung (2) von einem Brennerflansch (9) umrandet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der von dem Brennerflansch (9) umfassten Fläche in der Zuführung (2) zum Anteil darin, welcher von der Leitvorrichtung (4) abgedeckt wird, um einen Faktor 2 bis 8, vorzugsweise 4 größer ist als das Verhältnis der gesamten Brennerfläche zum Anteil darin, welcher von der Leitvorrichtung (4) abgedeckt wird, die Leitvorrichtung (4) innerhalb des Brennerflansches (9) über eine kreissegmentförmige offene Eintrittsfläche verfügt, welche etwa ein Achtel der Eintrittsfläche der Zuführung (2) ausmacht, die Leitvorrichtung (4) ferner über zwei ebene Flächen (41, 42) verfügt, welche von der Zuführung (2) zu einen Teilbereich der Brenneroberfläche (3) führen und hierbei ein Pyramidensegment bilden, wobei die beiden Flächen (41, 42) am Innenzylinder 5) enden, wobei das Pyramidensegment dabei etwa 1/32 des Innenzylinders (5) abdeckt und wobei die Leitvorrichtung (4) sich unterhalb einer Einkerbung (10) im Brennerflansch (9) befindet.
  2. Vormischbrenner nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung (4) perforiert ist.
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