EP3910237A2 - Brenneranordnung und verteilblech - Google Patents

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EP3910237A2
EP3910237A2 EP21172729.2A EP21172729A EP3910237A2 EP 3910237 A2 EP3910237 A2 EP 3910237A2 EP 21172729 A EP21172729 A EP 21172729A EP 3910237 A2 EP3910237 A2 EP 3910237A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
burner
ionization
openings
burner body
distributor plate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21172729.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3910237A3 (de
Inventor
Markus Polus
Thomas Ernst
Mira Engel
Andreas Andreas Kipp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Vaillant GmbH filed Critical Vaillant GmbH
Publication of EP3910237A2 publication Critical patent/EP3910237A2/de
Publication of EP3910237A3 publication Critical patent/EP3910237A3/de
Pending legal-status Critical Current

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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
    • F23D14/12—Radiant burners
    • F23D14/14—Radiant burners using screens or perforated plates
    • F23D14/145—Radiant burners using screens or perforated plates combustion being stabilised at a screen or a perforated plate
    • 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
    • F23D14/04—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner
    • F23D14/10—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner with elongated tubular burner head
    • F23D14/105—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner with elongated tubular burner head with injector axis parallel to the burner head axis
    • 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
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    • F23D14/70—Baffles or like flow-disturbing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • 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
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    • 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 invention relates to a burner for a gas heater for heating buildings and / or service water with an ionization electrode, in particular a burner arrangement with an ionization electrode in a combustion chamber of a gas heater.
  • This is not only about large systems, but also about wall-mounted devices for heating water and generally about heating devices for heating buildings and / or the provision of warm water.
  • Modern heating devices are operated with premix burners, with monitoring and regulation often being carried out by means of an ionization measurement.
  • Such burners are for example in the EP 3293455 A1 or the EP 1036984 B3 described.
  • an ionization electrode is arranged in the vicinity of a burner body in a combustion chamber, the burner body having a predeterminable hole pattern.
  • the fuel gas-air mixture exits through the holes in this hole pattern, is ignited and burns in the combustion chamber.
  • the resulting flames form a so-called flame carpet corresponding to the hole pattern, the ionization electrode being in the area of the flames.
  • the hole pattern (mostly made up of holes and / or slots) is determined according to the design of the burner body, the combustion chamber, the type of fuel gas and other criteria.
  • the burner body is often used in cylindrically shaped combustion chambers made of sheet metal rolled into a cylinder, which already has the hole pattern and leads to a largely cylinder-symmetrical carpet of flames in the combustion chamber.
  • the requirements for the hole pattern are essentially determined by factors such as the design and / or the needs, requirements, etc. of an ionization measurement and control system. These include, in particular, the highest possible modulation bandwidths which, in view of the control quality, should remain practically unchanged or constant over the life of the device.
  • the ionization electrode is detected differently by the carpet of flames. At higher power, the flames are larger and lift farther from the burner body than at lower power.
  • An ionization signal in the form of an ionization current is evaluated with the integration of the ionization electrode in a closed circuit and used for monitoring and, if necessary, regulating the heater.
  • a "control” is understood here in particular as the mixture formation of the combustion partners, which results in a lambda value for the combustion products after the combustion (the air ratio lambda indicates the ratio of air to fuel gas compared to a stoichiometric ratio).
  • the problem is therefore to detect and evaluate changes in the ionization signal over the broadest possible load range of the burner in the course of aging in order to obtain constant mixture control over the service life of the device.
  • orifices and distribution devices in the gas-air path (in the direction of flow) in front of the burner surface are mainly used for the purpose of homogenizing the internal pressure of the burner for the purpose of uniform flame distribution, or in the case of mixture formation on the pressure side (pressure side of the fan) to mix the air and fuel gas.
  • One concept for increasing the burner surface load in the area of the ionization electrode is an increase in the flame density (local increase in surface load) which is achieved by additionally introducing perforations in the burner surface, which leads to an amplification of the necessary measurement signal.
  • This concept is based, for example, on the EP 1036984 emerged.
  • the object of the present invention is to at least partially solve the problems described with reference to the prior art.
  • a burner arrangement is to be created that can be produced inexpensively and nevertheless can be adapted to the needs of an ionization measurement, so that adequate ionization measurement signal provision for lambda control is possible over a wide range.
  • a simple adaptation of a burner body, the hole pattern of which is designed and / or optimized for other purposes, in the area of an ionization electrode to the requirements of an ionization measurement for determining the lambda value should be possible.
  • an object of the invention is therefore to provide a burner design which enables the highest possible modulation ranges but also age-related changes in the ionization signal control system via (ADA) corrections. It is about ionization current profiles that are as constant as possible within the modulation bandwidth, but also special curve characteristics for ionization current profiles of the modulation points (constant speeds) as a function of lambda, which for Age-related changes in the ionization signal control system can be used.
  • a burner arrangement with a burner body which has an inner surface and an outer surface as well as a pattern of openings for the passage of an air-fuel gas mixture, and an ionization electrode with an electrode length that is at a distance from the outer surface of the burner body and essentially runs parallel to this, with a bleaching present which changes the pattern of openings in the area of the ionization electrode by at least partially covering some of the openings.
  • a distributor plate in the area of the ionization electrode above and / or below the burner surface influences the curve characteristics with a special hole pattern as required. The arrangement of the opening pattern and the hole pattern of the distributor plate is taken into account.
  • This is in particular a gas burner, which forms two burner surfaces arranged parallel to one another, consisting of a distributor plate (burner-gas-air mixture flowing in) and a burner body (side facing the combustion chamber).
  • a burner (surface) arrangement can be formed with a distributor plate which forms an inner surface of the burner arrangement and a burner body which forms an outer surface of the burner arrangement. Patterns of openings and / or holes for the passage of an air-fuel gas mixture can be provided both on the distributor plate and on the burner body.
  • the distributor plate and the burner body are regularly arranged coaxially with one another.
  • an ionization electrode is provided with an electrode length which runs at a distance from the outer surface of the burner body and essentially parallel to it.
  • the burner surface of the burner body directly assigned to the ionization electrode can have a surface section with a homogeneous, evenly distributed open opening structure (openings / slots) in the axial and radial directions, wherein the ionization electrode can be aligned centrally to this surface section.
  • the distributor plate which is arranged on the inside of the burner body (i.e. the side from which the burner-gas-air mixture flows in) and is aligned parallel to the burner surface or the burner body, can have an alternately strongly open hole structure in the radial direction. This can e.g. B. be achieved by hole structure-free intermediate sections, still a symmetrically arranged hole structure is present.
  • the arrangement of the surfaces of the burner body and the distributor plate closest to the ionization electrode is designed in such a way that the hole structure of the distributor plate can be assigned parallel to the burner body in such a way that the surfaces of the larger degree of opening directly correspond to the hole structure of the smaller degree of opening of the burner body and vice versa assigned.
  • the described combination of the arrangement and design of both hole structures of the distributor plate and the burner surface can lead to a lambda-dependent homogeneity of the flame pattern in the area of the ionization electrode regardless of the load area of the burner. With With this measure, both high modulation bandwidths for stable regulation and lambda-dependent, steadily falling / rising ionization current profiles can be designed.
  • This solution can improve the mixture distribution of the fuel in a defined area of the inner surface (in the direction of flow in front of the burner surface) of a burner for gas-fired heating devices in such a way that a flame image is generated over the modulation area of the heat load, which is used in combination with measuring equipment for the quantitative determination of an ionization current (usually ignition / ionization electrodes) delivers an ionization signal as high as possible above this burner surface area and / or over the entire modulation bandwidth.
  • an ionization current usually ignition / ionization electrodes
  • the course of the curve indicates a decreasing lambda course, a strongly flattening course.
  • a stable control signal independent of aging can be obtained for this control over the set modulation range of the heat load, or a corresponding ADA correction can be made possible.
  • the degree of modulation can be increased in that the ionization current provides an adequate signal for regulating the mixture formation over the widest possible modulation range.
  • the described concept of the distributor plate in combination with the combustion body ensures a load-modulation-dependent pressure equalization in the area of the ionization electrode and can influence the flames on the combustion body in such a way that they are If possible, always form the same distance to the electrode under all load and / or lambda variations of the combustion.
  • the distributor plate is preferably arranged on the inner surface of the burner body.
  • the distribution plate is preferably positioned opposite the inside of the combustion element in such a way that the defined perforation influences the flame pattern on the ionization electrode in the desired manner. It can be attached to the flange of the burner together with the burner body, for example by welding, screws, rivets or the like.
  • the distribution plate is preferred on the pressure side, i. H. positioned on the side against which the gas mixture flows. A gap of approx. 6 mm to 8 mm can be provided between the distributor plate and the burner body.
  • the distribution plate can have a length which corresponds at least to the electrode length and a width in the range from 1 to 10 cm [centimeters], preferably 2 to 6 cm.
  • the distributor plate can be designed in the manner of a circular or cylinder segment. In most cases, the surface of the distributor plate is essentially congruent to the surface of the burner body.
  • the holes in the distributor plate can be round and / or slit-shaped and release an opening area which can have a length which corresponds at least to the length of the electrode. Different opening areas of predeterminable openness can be provided by matching rows of holes / slots, e.g. B.
  • the distributor plate influences the amount of fuel gas-air mixture flowing out in the area of the ionization electrode and ensures pressure equalization in connection with the combustion body and its opening pattern, which can bring about a more uniform flow around the ionization electrode, which is less dependent on the output of the heater.
  • the distribution plate is particularly preferably a perforated plate, the holes of which make up (at most) 5 to 10% [percent], preferably in the range of 5 to 10%, of its area.
  • a corresponding proportion of openings in the burner body is completely or partially covered by the non-perforated surface of the distributor plate.
  • the openings in the burner body have the smallest dimension and the holes in the distributor plate are so large and have such a shape that 3 to 20 openings, preferably 4 to 16, are at least partially covered by one hole, in particular in the area directly below the ionization electrode.
  • the openings in a torch body are not necessarily all circular.
  • hole patterns with slots (and holes) but the smallest dimension of all openings is also determined by the fact that a flashback of flames into the burner body is to be avoided. Therefore, holes and slots usually have a smallest dimension in the range of 0.3 to 1.0 mm [millimeters].
  • slots can be significantly longer, for example 2 to 8 mm. So it can be B.
  • the holes are essentially circular and have a diameter of 1 to 5 mm, preferably 2 to 3 mm.
  • the distribution plate should be made of the same material or a material that is similar in thermal behavior to the burner body in order to avoid different expansions and thus thermal stresses during operation.
  • a distribution plate for attachment to an outer surface or an inner surface of a burner body also contributes to the solution of the object, the distribution plate having holes which make up 20 to 80% of its area.
  • the holes are essentially circular and have a diameter of 5 to 15 mm.
  • a staggered arrangement closest packing of spheres is advantageous.
  • the distribution plate preferably has the shape of a section from a cylindrical surface, an axial length of 5 to 20 cm, preferably 5 to 15 cm, and a width of 1 to 10 cm, preferably 2 to 6 cm.
  • Fig. 1 shows schematically a burner arrangement according to the invention for a heater with a burner body 3 and an ionization electrode 7. Both are typically attached (via a flange) to a so-called burner door 2.
  • the burner body 3 is cylindrical and protrudes with its axial extent into a combustion chamber 1.
  • the ionization electrode 7 extends at a distance of, for. B. 5 to 10 cm in the axial direction approximately parallel to an outer surface 5 of the burner body 3 and has an electrode length EL of z. B. 5 to 20 cm.
  • the torch body 3 has openings 6 which run from its inner surface 4 to the outer surface 5. A mixture of fuel gas and air can flow through this in order to be burned in the combustion chamber 1, with flames 11 being generated.
  • the openings 6 can be circular and / or slot-shaped, each with a smallest dimension of approximately 0.3 to 1 mm, preferably 0.5 to 0.8 mm. In most cases, they are arranged in the form of patterns, the size and pattern of the openings depending, among other things, on the fuel gas to be burned, the geometry of the burner body, combustion chamber and the power range of the heater. However, the pattern is not always suitable for correctly approaching an ionization electrode 7 over a wide power range. According to the invention, this is achieved by a distribution plate 8 with holes 9, which is arranged on the outer surface 5 or the inner surface 4 in the region 10 of the ionization electrode 7.
  • the holes 9 are dimensioned and designed in such a way that they each leave several openings 6 of the burner body 3 completely or partially free, while closed subregions of the distributor plate 8 completely or partially cover numerous openings 6.
  • An area 10 with fewer flames 11 than in the rest of the combustion chamber 1 is thus created around the ionization electrode 7, as a result of which the measurement accuracy is improved over a large power range.
  • a torch body 3 with a different one does not have to be used for every attempt Hole pattern can be produced.
  • the distributor plate 8 is also suitable for retrofitting existing burner bodies 3.
  • Fig. 2 shows a distribution plate 8 with holes 9 (here circular) which have a diameter D of 2.5 to 3.5 mm.
  • the distribution plate 8 has the shape of a section from the outer surface of a cylinder, a length L in the axial direction of 5 to 20 cm and a width B of 1 to 10 cm.
  • the approximate size of openings 6 of a burner body 3 is indicated by way of example.
  • the present invention makes it possible to expand the applicability and / or accuracy of an ionization measuring system with simple means and to regulate heating devices equipped therewith in a broad power range.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung mit einem Brennerkörper (3), der eine Innenoberfläche (4) und eine Außenoberfläche (5) sowie ein Muster aus Öffnungen (6) zum Durchtritt eines Luft-Brenngas-Gemisches aufweist, und einer lonisationselektrode (7) mit einer Elektrodenlänge (EL), die mit einem Abstand (A) von der Außenoberfläche (5) des Brennerkörpers (3) und im Wesentlichen parallel zu dieser verläuft, wobei ein Verteilbleich (8) vorhanden ist, welches das Muster aus Öffnungen (6) im Bereich (10) der lonisationselektrode (7) verändert, indem es einen Teil der Öffnungen (6) zumindest teilweise abdeckt. Die Erfindung erlaubt es, mit einfachen Mitteln die Anwendbarkeit und/oder Genauigkeit eines lonisationsmesssystems zu erweitern und damit ausgestattete Heizgeräte in einem breiten Leistungsbereich zu regeln.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Brenner für ein Gas-Heizgerät zum Beheizen von Gebäuden und/oder Brauchwasser mit lonisationselektrode, insbesondere eine Brenneranordnung mit lonisationselektrode in einem Verbrennungsraum eines Gas-Heizgerätes. Dabei geht es nicht nur um große Anlagen, sondern auch um Wandgeräte zur Erwärmung von Wasser und generell um Heizgeräte für die Beheizung von Gebäuden und/oder die Bereitstellung von warmem Wasser. Moderne Heizgeräte werden mit Vormischbrennern betrieben, wobei die Überwachung und Regelung häufig mittels einer Ionisationsmessung durchgeführt wird.
  • Derartige Brenner sind beispielsweise in der EP 3293455 A1 oder der EP 1036984 B3 beschrieben.
  • Dazu wird eine lonisationselektrode in der Nähe eines Brennerkörpers in einem Verbrennungsraum angeordnet, wobei der Brennerkörper ein vorgebbares Lochmuster aufweist. Durch die Löcher dieses Lochmusters tritt Brenngas-Luft-Gemisch aus, wird gezündet und verbrennt im Verbrennungsraum. Die dabei entstehenden Flammen bilden einen dem Lochmuster entsprechenden sogenannten Flammenteppich, wobei die lonisationselektrode im Bereich der Flammen liegt. Das Lochmuster (meist aus Löchern und/oder Schlitzen gebildet) wird nach der Bauform des Brennerkörpers, des Verbrennungsraumes, der Art des Brenngases und weiteren Kriterien festgelegt. In zylindrisch geformten Brennräumen wird der Brennerkörper aus Fertigungsgründen häufig aus einem zu einem Zylinder gerollten Blech hergestellt, welches schon das Lochmuster aufweist und zu einem weitgehend zylindersymmetrischen Flammenteppich im Verbrennungsraum führt. Die Anforderungen an das Lochmuster werden aber im Wesentlichen von Faktoren wie die Bauart und/oder die Bedürfnisse, Anforderungen, etc. eines Ionisations-Mess-Regel-Systems bestimmt. Dazu gehören insbesondere möglichst hohe Modulationsbandbreiten, die angesichts der Regelgüte über die Lebensdauer des Gerätes praktisch unverändert bzw. konstant bleiben sollen. Hierbei spielen die Flammenausprägung über der Brenneroberfläche und/oder die Veränderung bzw. Alterung der Bauteile, wie die des Brenners sowie der angrenzenden lonisationselektrode, eine besonders wichtige bzw. sogar entscheidende Rolle. Abhängig von der Modulation und somit auch der Leistung des Heizgerätes wird die lonisationselektrode unterschiedlich vom Flammenteppich erfasst. Bei höherer Leistung sind die Flammen größer und heben weiter von dem Brennerkörper ab als bei kleinerer Leistung. Dabei wird ein lonisationssignal in Form eines Ionisationsstroms unter der Einbindung der lonisationselektrode in einem geschlossenen Stromkreis ausgewertet und für die Überwachung und ggf. Regelung des Heizgerätes genutzt. Unter einer "Regelung" wird hier insbesondere die Gemischbildung der Verbrennungspartner verstanden, was nach der Verbrennung in einem Lambdawert der Verbrennungsprodukte resultiert (die Luftzahl Lambda gibt das Verhältnis von Luft zu Brenngas verglichen mit einem stöchiometrischen Verhältnis an). Um über einen möglichst weiten Modulationsbereich eine konstante Regelung des Mischungsverhältnisses in Anbetracht der Alterung der Bauteile über die Lebensdauer des Heizgerätes zu gewährleisten, kann eine Korrektur (ADA-Korrektur; ADA = automatic drift adaption) dieses Effektes besonders sinnvoll sein. Das Problem besteht also darin, Veränderungen im lonisationssignal über einen möglichst breiten Belastungsbereich des Brenners im Laufe der Alterung zu erfassen und auszuwerten, um eine konstante Gemischregelung über die Lebensdauer des Gerätes zu erhalten.
  • Für den normkonformen Betrieb ionisationsstrombasierter Gas-Luft-Gemischregelungen ist die Bereitstellung eines ausreichend starken Messsignals des Ionisationsstroms erforderlich, das mithilfe einer statisch eingebrachten Elektrode ermittelt wird. Da innerhalb dieses Systems mit sinkender Wärmebelastung auch die lonisationsstromstärke abnimmt, ein definierter Mindeststrom zur Regelung jedoch nicht unterschritten werden darf, ist der Belastungsmodulation der Wärmezelle hierdurch beschränkt.
  • Gemäß heutigem Stand der Technik werden Blenden und Verteilereinrichtungen im Gas-Luft-Weg (in Strömungsrichtung) vor der Brenneroberfläche hauptsächlich zum Zweck der Homogenisierung des Brennerinnendrucks zum Zweck der gleichförmigen Flammenverteilung verwendet, bzw. bei druckseitiger Gemischbildung (Druckseite des Gebläses) zur Durchmischung von Luft und Brenngas.
  • Daneben sind in Verbindung mit ionisationsstrombasierten Gas-Luft-Gemisch-Regelungen Variationen von Blenden und speziell angeordneten Brenneroberflächenaustrittsgeometrien (Lochstruktur) bekannt, die Änderungen in der lokalen Brennerflächenbelastung bewirken, wodurch gezielt Einfluss auf den erzeugten lonisationsstrom vorgenommen wird, und somit größere Modulationsbandbreiten (möglichst konstanter lonisationsstromverlauf über den kompletten Modulationsbereich) ermöglicht werden.
  • Ein bekanntes Konzept zur Erweiterung der Modulationsbandbreite unter Einfluss der Brenneroberflächengeometrie ist in der EP 3293455 A1 erläutert. Das direkt unter der lonisationselektrode ausgewiesene Lochmuster bzw. die Lochstruktur der Brenneroberfläche wird dabei in Flächen mit unterschiedlichem Ausströmprofil um die lonisationselektrode unterteilt, so dass möglichst hohe Modulationsbandbreiten erreicht werden. Dies ist fertigungstechnisch allerdings mit einigem Aufwand verbunden und für jede Art von Brennerkörper und lonisationselektrode ist eine eigene Gestaltung erforderlich.
  • Ein Konzept zur Erhöhung der Brenneroberflächenbelastung im Bereich der lonisationselektrode ist eine durch zusätzlich eingebrachte Perforationen in der Brenneroberfläche erzielte Erhöhung der Flammendichte (lokale Erhöhung der Flächenbelastung) die zu einer Verstärkung des notwendigen Messsignals führt. Dieses Konzept geht beispielswiese aus der EP 1036984 hervor.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine Brenneranordnung geschaffen werden, die kostengünstig herstellbar und trotzdem an die Bedürfnisse eine Ionisationsmessung anpassbar ist, so dass eine adäquate Ionisationsmesssignalbereitstellung zur Lambda-Regelung über einen weiten Bereich möglich ist. Dabei soll eine einfache Anpassung eines Brennerkörpers, dessen Lochmuster für andere Zwecke gestaltet und/oder optimiert ist, im Bereich einer lonisationselektrode an die Bedürfnisse einer Ionisationsmessung zur Bestimmung des Lambda-Wertes möglich sein.
  • Anders ausgedrückt ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Brennerdesign bereitzustellen, das möglichst hohe Modulationsbereiche aber auch alterungsbedingte Änderungen des lonisationssignal-Regel-Systems über (ADA-)Korrekturen ermöglicht. Es geht dabei um möglichst konstante lonisationsstrom-Verläufe innerhalb der Modulationsbandbreite aber auch spezielle Kurvencharakteristika für Ionisationsstrom-Verläufe der Modulationspunkte (konstanter Drehzahlen) als Funktion von Lambda, die für alterungsbedingten Änderungen des lonisationssignal-Regel-Systems verwendet werden können.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe dienen eine Brenneranordnung und ein Verteilblech gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, veranschaulicht die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.
  • Zur Lösung der Aufgabe dient eine Brenneranordnung mit einem Brennerkörper, der eine Innenoberfläche und eine Außenoberfläche sowie ein Muster aus Öffnungen zum Durchtritt eines Luft-Brenngas-Gemisches aufweist, und einer lonisationselektrode mit einer Elektrodenlänge, die mit Abstand von der Außenoberfläche des Brennerkörpers und im Wesentlichen parallel zu dieser verläuft, wobei ein Verteilbleich vorhanden ist, welches das Muster aus Öffnungen im Bereich der lonisationselektrode verändert, indem es einen Teil der Öffnungen zumindest teilweise abdeckt. Ein Verteilerblech im Bereich der lonisationselektrode über und/oder unter der Brenneroberfläche beeinflusst die Kurvencharakteristik mit einem speziellen Lochmuster wunschgemäß. Dabei wird die Anordnung des Öffnungsmusters und des Lochmusters des Verteilblechs berücksichtigt.
  • Hierbei handelt es sich insbesondere um einen Gasbrenner, welcher zwei parallel zueinander angeordneten Brennerflächen bildet, bestehend aus einem Verteilerblech (Brenner-Gas -Luftgemisch einströmende Seite) und einem Brennerkörper (brennraumzugewandte Seite).
  • Eine Brenner(flächen)anordnung kann mit einem Verteilerblech ausgebildet sein, das eine Innenoberfläche der Brenneranordnung bildet, sowie einem Brennerkörper, der eine Außenoberfläche der Brenneranordnung bildet. Sowohl auf dem Verteilerblech als auch auf dem Brennerkörper können Muster aus Öffnungen und/oder Löcher zum Durchtritt eines Luft-Brenngas-Gemisches vorgesehen sein. Verteilerblech und Brennerkörper sind regelmäßig koaxial zueinander angeordnet. Weiter ist eine lonisationselektrode mit einer Elektrodenlänge vorgesehen, die mit Abstand von der Außenoberfläche des Brennerkörpers und im Wesentlichen parallel zu dieser verläuft. Die der lonisationselektrode direkt zugeordnete Brenneroberfläche des Brennkörpers kann in Axial- und Radialrichtung einen Flächenabschnitt mit einer homogenen, gleichmäßig verteilten offenen Öffnungsstruktur (Öffnungen/Schlitze) aufweisen, wobei die lonisationselektrode mittig zu diesem Flächenabschnitt ausgerichtet sein kann. Das an der Innenseite des Brennerkörpers (also die Seite, von der das Brenner-Gas-Luftgemisch einströmt) angeordnetes und parallel zu Brenneroberfläche bzw. dem Brennkörper ausgerichtetes Verteilerblech, kann in Radialrichtung eine abwechselnd stark offene Lochstruktur aufweisen. Diese kann z. B. durch Lochstruktur-freie Zwischenabschnitte erreicht sein, wobei noch immer eine symmetrisch angeordnete Lochstruktur vorliegt.
  • Die Anordnung der zur lonisationselektrode nächstliegenden Flächen des Brennkörpers und des Verteilerblechs in axial Richtung gesehen ist so gestaltet, dass die Lochstruktur des Verteilerbleches dabei dem Brennkörper gegenüber parallel so zuordenbar ist, dass die Flächen des größeren Öffnungsgrades direkt der Lochstruktur der kleineren Öffnungsgrades des Brennkörpers und umgekehrt zugeordnet sind. Die beschriebene Kombination der Anordnung und Gestaltung beider Lochstrukturen des Verteilerbleches und der Brenneroberfläche kann zu einer Lambda-abhängigen Homogenität des Flammenbildes im Bereich der lonisationselektrode unabhängig von Lastbereich des Brenners führen. Mit dieser Maßnahme lassen sich sowohl hohe Modulationsbandbereiten für eine stabile Regelung sowie Lambdaabhängigen stetig fallenden/steigenden lonisationsstromverläufe gestalten.
  • Diese Lösung kann die Gemischverteilung des Brennstoffs in einem definierten Bereich der Innenfläche (in Strömungsrichtung vor der Brenneroberfläche) eines Brenners für gasbefeuerte Heizgeräte so verbessern, dass über dem Modulationsbereich der Wärmebelastung ein Flammenbild erzeugt wird, welches im kombinierten Einsatz mit Messmitteln zur quantitativen Bestimmung eines Ionisationsstroms (i.d.R. Zünd-/Ionisationselektroden) oberhalb dieses Brennerflächenbereichs und/oder über die komplette Modulationsbandbreite ein möglichst hohes lonisationssignal liefert. Zudem kann auch sichergestellt werden, dass in einem vorgegebenen oder gewünschten Lastpunkt des Modulationsbereichs ein Lambda-abhängiger stetig fallenden bzw. stetig steigender lonisationsstrom-Verlauf vorliegt. Der Kurvenverlauf weist zu abfallenden Lambdaverlauf hin, einen stark abflachenden Verlauf. Im Rahmen einer ionisationsstrombasierten Regelung des Gas-Luft-Gemischs in o.g. Heizgeräten kann demnach mittels funktioneller Anpassung ein für diese Regelung alterungsunabhängiges stabiles Regelsignal über den eingestellten Modulationsbereich der Wärmebelastung erhalten werde, bzw. eine entsprechende ADA-Korrektur ermöglicht werden. Des Weiteren wird die Steigerung des Modulationsgrades ermöglicht, indem der lonisationsstrom über eine möglichst weiten Modulationsbereich ein für die Reglung der Gemischbildung adäquates Signal bereitstellt.
  • Das beschriebene Konzept des Verteilerblechs in Kombination mit dem Brennkörper sorgt für einen last-modulationsabhängigen Druckausgleich in Bereich des lonisationselektrode und kann die Flammen am Brennkörper so beeinflussen, dass diese möglichst unter allen Last- und/oder Lambda-Variationen der Verbrennung immer den gleichen Abstand zur Elektrode ausbilden.
  • Bevorzugt ist das Verteilblech an der Innenoberfläche des Brennerkörpers angeordnet. Bevorzugt ist das Verteilblech der Brennkörper-Innenseite so gegenüber positioniert, dass die definierte Lochung das Flammenbild an der lonisationselektrode in der gewünschten Art und Weise beeinflusst. Es kann zusammen mit dem Brennerkörper am Flansch des Brenners befestigt werden, beispielsweise durch Schweißen, Schrauben, Nieten oder dergleichen. Bevorzugt wird das Verteilblech auf der Druckseite, d. h. auf der vom Gasgemisch angeströmten Seite, positioniert. Zwischen dem Verteilerblech und dem Brennerkörper kann ein Spalt/Zwischenraum von ca. 6 mm bis 8 mm vorgesehen sein.
  • Das Verteilblech kann eine Länge haben, die mindestens der Elektrodenlänge entspricht, und eine Breite im Bereich von 1 bis 10 cm [Zentimeter], vorzugsweise 2 bis 6 cm. Das Verteilblech kann nach Art eines Kreis- bzw. Zylindersegments ausgeführt sein. Die Fläche des Verteilerblechs ist in den meisten Fällen der Brennerkörperfläche im Wesentlichen kongruent. Die Löcher des Verteilerblechs können rund- und/oder schlitzförmig ausgeformt einen Öffnungsbereich freigeben, der eine Länge haben kann, die mindestens der Elektrodenlänge entspricht. Dabei können unterschiedliche Öffnungsbereiche vorgebbarer Offenheit durch abgestimmte Loch-/Schlitz-Reihen vorgesehen sein, z. B. nach Art von Sektoren unterteilt, die in Längsrichtung des Brenners (axial) unter bzw. links oder rechts der lonisationselektrode in einem Abstand von 3 mm bis 10 mm (Millimeter) angeordnet sein können. Mit diesen Dimensionen beeinflusst das Verteilblech die im Bereich der lonisationselektrode ausströmende Menge an Brenngas-Luft-Gemisch und sorgt in Zusammenhang mit dem Brennkörper und dessen Öffnungsmuster für einen Druckausgleich, was eine gleichmäßigere, weniger von der Leistung des Heizgerätes abhängige Umströmung der lonisationselektrode bewirken kann.
  • Besonders bevorzugt ist das Verteilblech ein Lochblech, dessen Löcher (maximal) 5 bis 10 % [Prozent], vorzugsweise im Bereich von 5 bis 10 %, seiner Fläche ausmachen. Ein entsprechender Anteil von Öffnungen im Brennerkörper wird ganz oder teilweise von der nicht gelochten Fläche des Verteilbleches abgedeckt.
  • Insbesondere haben die Öffnungen im Brennerkörper eine kleinste Dimension und die Löcher im Verteilblech sind so groß und haben eine solche Form, dass von einem Loch 3 bis 20 Öffnungen, vorzugsweise 4 bis 16, zumindest teilweise abgedeckt werden, insbesondere im Bereich unmittelbar unter der lonisationselektrode. Die Öffnungen in einem Brennerkörper sind nicht notwendigerweise alle kreisförmig. Es gibt auch Lochmuster mit Schlitzen (und Löchern), wobei aber die kleinste Dimension aller Öffnungen auch dadurch festgelegt ist, dass ein Rückschlag von Flammen in den Brennerkörper vermieden werden soll. Daher haben Löcher und Schlitze meist eine kleinste Dimension im Bereich von 0,3 bis 1,0 mm [Millimeter]. Schlitze können aber deutlich länge sein, beispielsweise 2 bis 8 mm. So kann es z. B. Konstellationen geben, bei denen ein Loch im Verteilblech mehrere Schlitze im Brennerkörper nur teilweise abdeckt.
  • Besonders bevorzugt (und fertigungstechnisch vorteilhaft) sind die Löcher im Wesentlichen kreisförmig und haben einen Durchmesser von 1 bis 5 mm, vorzugsweise 2 bis 3 mm.
  • Das Verteilblech sollte aus dem gleichen oder einem im thermischen Verhalten ähnlichem Material wie der Brennerkörper bestehen, um unterschiedliche Ausdehnungen und damit thermische Spannungen im Betrieb zu vermeiden.
  • Zur Lösung der Aufgabe trägt auch ein Verteilblech zur Befestigung auf einer Außenoberfläche oder einer Innenoberfläche eines Brennerkörpers bei, wobei das Verteilblech Löcher aufweist, die 20 bis 80 % seiner Fläche ausmachen.
  • Bevorzugt sind die Löcher im Wesentlichen kreisförmig und haben einen Durchmesser von 5 bis 15 mm. Eine versetzte Anordnung (dichteste Kugelpackung) ist vorteilhaft.
  • Für zylinderförmige Brennerkörper hat das Verteilblech bevorzugt die Form eines Ausschnitts aus einer Zylindermantelfläche, eine axiale Länge von 5 bis 20 cm, vorzugsweise 5 bis 15 cm, und eine Breite von 1 bis 10 cm, vorzugsweise 2 bis 6 cm.
  • Damit ist ein Brenner mit lonisationselektrode angegeben, bei dem im Bereich der lonisationselektrode ein Verteilerblech über und/oder unter der Brenneroberfläche vorgesehen ist, das die Kurvencharakteristik des Ionisationsstroms mit einem speziellen Lochmuster wunschgemäß beeinflusst.
  • Schematische Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:
    • Fig. 1:
    einen Brennerkörper mit Verteilblech und lonisationselektrode und
    Fig. 2:
    ein Verteilblech.
  • Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Brenneranordnung für ein Heizgerät mit einem Brennerkörper 3 und einer lonisationselektrode 7. Beide sind typischerweise (über einen Flansch) an einer sogenannten Brennertür 2 befestigt. Im hier vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Brennerkörper 3 zylindrisch und ragt mit seiner axialen Ausdehnung in einen Verbrennungsraum 1. Die lonisationselektrode 7 verläuft in einem Abstand von z. B. 5 bis 10 cm in axialer Richtung etwa parallel zu einer Außenoberfläche 5 des Brennerkörpers 3 und hat eine Elektrodenlänge EL von z. B. 5 bis 20 cm. Der Brennerkörper 3 hat Öffnungen 6, die von seiner Innenoberfläche 4 zur Außenoberfläche 5 verlaufen. Durch diese kann ein Gemisch aus Brenngas und Luft strömen, um im Verbrennungsraum 1 verbrannt zu werden, wobei Flammen 11 entstehen. Die Öffnungen 6 können kreisförmig und/oder schlitzförmig sein mit einer jeweils kleinsten Dimension von etwa 0,3 bis 1 mm, vorzugsweise 0,5 bis 0,8 mm. In den meisten Fällen sind sie in Form von Mustern angeordnet, wobei die Größe und das Muster der Öffnungen u. a. von dem zu verbrennenden Brenngas, der Geometrie von Brennerkörper, Verbrennungsraum und dem Leistungsbereich des Heizgerätes abhängt. Das Muster ist jedoch nicht immer geeignet, eine lonisationselektrode 7 über einen weiten Leistungsbereich richtig anzuströmen. Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verteilblech 8 mit Löchern 9 erreicht, welches auf der Außenoberfläche 5 oder der Innenoberfläche 4 im Bereich 10 der lonisationselektrode 7 angeordnet ist. Die Löcher 9 sind so bemessen und gestaltet, dass sie jeweils mehrere Öffnungen 6 des Brennerkörpers 3 ganz oder teilweise frei lassen, während geschlossene Teilbereiche des Verteilbleches 8 zahlreiche Öffnungen 6 ganz oder teilweise abdecken. So entsteht um die lonisationselektrode 7 ein Bereich 10 mit weniger Flammen 11 als im übrigen Verbrennungsraum 1, wodurch die Messgenauigkeit über einen großen Leistungsbereich verbessert wird. Zum Auffinden gewünschter Eigenschaften eines lonisationsmesssystems ist es dadurch nur erforderlich, unterschiedliche Verteilbleche 8 einzusetzen. Es muss nicht für jeden Versuch ein Brennerkörper 3 mit einem anderem Lochbild hergestellt werden. Das Verteilblech 8 eignet sich auch zum Nachrüsten von vorhandenen Brennerkörpern 3.
  • Fig. 2 zeigt ein Verteilblech 8 mit Löchern 9 (hier kreisrund), die einen Durchmesser D von 2,5 bis 3,5 mm haben. Das Verteilblech 8 hat die Form eines Ausschnitts aus der Mantelfläche eines Zylinders, eine Länge L in axialer Richtung von 5 bis 20 cm und eine Breite B von 1 bis 10 cm. In einem der Löcher 9 ist beispielhaft die ungefähre Größe von Öffnungen 6 eines Brennerkörpers 3 angedeutet.
  • Die vorliegende Erfindung erlaubt es, mit einfachen Mitteln die Anwendbarkeit und/oder Genauigkeit eines lonisationsmesssystems zu erweitern und damit ausgestattete Heizgeräte in einem breiten Leistungsbereich zu regeln.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Verbrennungsraum
    2
    Brennertür
    3
    Brennerkörper
    4
    Innenoberfläche
    5
    Außenoberfläche
    6
    Öffnungen
    7
    Ionisationselektrode
    8
    Verteilblech
    9
    Löcher
    10
    Bereich der lonisationselektrode
    11
    Flammen
    EL
    Elektrodenlänge
    L
    (axiale) Länge (des Verteilblechs)
    B
    Breite (des Verteilblechs)
    D
    Durchmesser (der Löcher)
    F
    Fläche (des Verteilbleches)

Claims (10)

  1. Brenneranordnung mit einem Brennerkörper (3), der eine Innenoberfläche (4) und eine Außenoberfläche (5) sowie ein Muster aus Öffnungen (6) zum Durchtritt eines Luft-Brenngas-Gemisches aufweist, und einer lonisationselektrode (7) mit einer Elektrodenlänge (EL), die mit Abstand von der Außenoberfläche (5) des Brennerkörpers (3) und parallel zu dieser verläuft, wobei ein Verteilbleich (8) vorhanden ist, welches das Muster aus Öffnungen (6) im Bereich (10) der lonisationselektrode (7) verändert, indem es einen Teil der Öffnungen (6) zumindest teilweise abdeckt.
  2. Brenneranordnung nach Anspruch 1, wobei das Verteilblech (8) an der Innenoberfläche (4) des Brennerkörpers angeordnet ist.
  3. Brenneranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verteilblech (8) eine Länge (L) hat, die mindestens der Elektrodenlänge (EL) entspricht und eine Breite (B) von 1 bis 10 cm.
  4. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei des Verteilblech (8) ein Lochblech ist, dessen Löcher 5 bis 15 % seiner Fläche (F) ausmachen.
  5. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Öffnungen (6) im Brennerkörper (3) eine kleinste Dimension haben und die Löcher (9) im Verteilblech (8) so groß sind und eine solche Form haben, dass von einem Loch (9) 3 bis 20 Öffnungen (6) zumindest teilweise nicht abgedeckt werden.
  6. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Löcher (9) im Wesentlichen kreisförmig sind und einen Durchmesser (D) von 1 bis 5 mm haben.
  7. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verteilblech (8) aus dem gleichen oder einem im thermischen Verhalten ähnlichem Material wie der Brennerkörper (3) besteht.
  8. Verteilblech (8) zur Befestigung auf einer Außenoberfläche (5) oder einer Innenoberfläche (4) eines Brennerkörpers (3), wobei das Verteilblech (8) Löcher (9) aufweist, die 20 bis 80% seiner Fläche (F) ausmachen.
  9. Verteilblech (8) nach Anspruch 8, wobei die Löcher (9) kreisförmig sind und einen Durchmesser (D) von 5 bis 15 mm haben.
  10. Verteilblech (8) nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Verteilblech (8) die Form eines Ausschnitts aus einer Zylindermantelfläche hat, eine axiale Länge (L) von 5 bis 20 cm und eine Breite (B) von 1 bis 10 cm.
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