EP4008954A2 - Brenneranordnung zur verbrennung von wasserstoff enthaltendem brenngas und brennerkörper - Google Patents

Brenneranordnung zur verbrennung von wasserstoff enthaltendem brenngas und brennerkörper Download PDF

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EP4008954A2
EP4008954A2 EP21210246.1A EP21210246A EP4008954A2 EP 4008954 A2 EP4008954 A2 EP 4008954A2 EP 21210246 A EP21210246 A EP 21210246A EP 4008954 A2 EP4008954 A2 EP 4008954A2
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EP
European Patent Office
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burner body
flames
burner
flame
mixture
Prior art date
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Application number
EP21210246.1A
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Bodo Oerder
Arnold Wohlfeil
Fabian Staab
Jochen Grabe
Michael Schumacher
Matthias Hopf
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Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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Publication date
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Publication of EP4008954A2 publication Critical patent/EP4008954A2/de
Publication of EP4008954A3 publication Critical patent/EP4008954A3/de
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • 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
    • F23D14/48—Nozzles
    • F23D14/58—Nozzles characterised by the shape or arrangement of the outlet or outlets from the nozzle, e.g. of annular configuration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
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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
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2229/00—Flame sensors
    • F23N2229/04—Flame sensors sensitive to the colour of flames

Definitions

  • the invention relates to a (burner) arrangement for the combustion of fuel gas containing hydrogen, preferably with a hydrogen content greater than 10%, in particular greater than 50%, very preferably greater than 97%.
  • Hydrogen as a fuel gas or as an admixture to fuel gases is becoming more and more important, and great efforts are being made to upgrade new or existing burners of heating devices for operation with it. It is not only a question of large systems, but also of wall-mounted units for heating water and, in general, heaters for heating buildings and/or providing hot water.
  • hydrogen differs in several respects from previously used fuel gases, in particular a hydrogen flame is almost invisible to the human eye, emits less heat than flames produced with carbonaceous fuels, and hydrogen flames require different measuring systems than the ones to monitor them other fuels. In particular, ionization measurements do not provide reliable signals when the proportion of hydrogen in the fuel gas is high.
  • the present invention is therefore particularly, but not only, applicable to heaters that are operated with pure hydrogen or with fuel gas that consists of more than 50% hydrogen.
  • a use of optical sensors (for the visible, but especially for the ultraviolet range of light) for flame monitoring and control of combustion using optical filters is for applications in heaters that are operated with hydrogen-containing fuel gas, for example from DE 10 2019 101 329 A1 known.
  • the EP 2 223 016 B1 , the U.S. 5,829,962 A and the DE19 509 704 A1 deal extensively with optical measurement systems for flame monitoring, but not specifically for hydrogen flames or for flames of hydrogen-containing fuels.
  • the object of the present invention is to at least partially solve the problems outlined with reference to the prior art and to create a burner arrangement and a burner body which enable a greater luminous efficiency of sensor arrangements.
  • a burner arrangement and a burner body according to the independent claims serve to solve this problem.
  • Advantageous refinements and developments of the invention are specified in the respective dependent claims.
  • a burner arrangement is proposed for burning a mixture of air and a fuel gas containing hydrogen or essentially pure hydrogen in a combustion chamber into which the mixture can exit from a burner body.
  • the burner body is designed in such a way that during operation, flames occur more frequently and/or more intensely in at least one predeterminable partial flame area of a flame area around the burner body that is available for flames than in other partial flame areas, and there is at least one optical sensor that detects light from the partial flame area with more or stronger flames.
  • the aim is to achieve a homogeneous distribution of the flames in a flame area surrounding the burner body (this does not have to be the entire space surrounding the burner body) during operation.
  • Most burner bodies have an inlet side and an opposite end face without channels or openings for mixture, with a lateral surface (which does not necessarily have to be cylindrical) between these two sides includes an interior and can be provided with channels for the exit of the mixture.
  • a homogeneous distribution of the flames on the outside of this lateral surface also seems sensible at first glance, because heat is then evenly distributed during combustion and can be evenly transferred to a heat transfer medium in a heat exchanger.
  • a disadvantage is that with an optical sensor, especially one that is (for temperature reasons) located far outside the flame area, usually even outside a housing of the combustion chamber behind a window, you only see a small part of the flame area with a correspondingly low yield can observe in light.
  • This can be remedied by designing the flame area (viewed globally) to be inhomogeneous and observing at least one sub-area of the flame area in which more and/or larger flames are present than in other sub-areas.
  • any disadvantages of an inhomogeneous distribution of the flames around a burner body are acceptable because they are largely balanced out by radiation, convection (turbulence) and heat conduction, so that good heat transfer to a heat transfer medium can nevertheless be ensured.
  • the invention also covers cases in which no flames or only extensions of adjacent flames occur in partial areas around a burner body, in which there would be flames according to the prior art, because a very inhomogeneous distribution of the flames takes place.
  • the flame area also includes areas around the burner body that are potentially suitable for flames but not used.
  • the burner body is preferably designed in such a way that more and/or stronger flames occur in two, three or more partial flame areas and optical sensors for or for detecting light from two, three or more such partial flame areas are present. In this way, redundancy and a higher light yield can be achieved during measurements, which is particularly important for wavelength-selective measurements in the ultraviolet range, because only small amounts of light are incident and can or must be processed.
  • the burner body is designed in such a way that during operation there is a difference in energy release (proportional to the number and size of the flames) in different partial flame areas of 20 to 100%, preferably 40 to 60%.
  • This has a direct effect on the light yield in optical measurements. This means in particular that there can be flame sub-regions with little to almost no flames, while there are correspondingly more flames in other flame sub-regions.
  • the invention is particularly suitable for high proportions of hydrogen in the fuel gas if each optical sensor is designed for the detection of predefinable spectral ranges in the ultraviolet spectrum of light. Typical emissions of OH* radicals and CH* radicals, which are particularly suitable for the desired monitoring and regulation according to the prior art, are in this range. In the case of pure hydrogen, the radiation from OH* radicals in particular can be used.
  • all optical sensors are connected to a control and regulation unit that can evaluate sensor signals and process them for flame monitoring and regulation of the combustion process.
  • a burner body is also proposed, in particular for the burner arrangements described, the burner body enclosing an interior space and having a plurality of channels for the passage of a mixture of air and fuel gas from the interior space into a combustion chamber.
  • the channels have different cross sections and/or are distributed inhomogeneously over the surface of the burner body and/or point in different directions. In this way, different quantities of the mixture can flow into different partial flame areas around the burner body.
  • the features specified here which can be used individually or in various combinations with one another, relate to all channels (also often called burner nozzles) with the design and arrangement of which the desired inhomogeneous distribution of the fuel mixture and thus the flames can be achieved.
  • the shape of the burner body itself can remain unchanged, particularly as is known from the prior art.
  • the burner body in particular for one of the burner arrangements described, is not formed in a rotationally symmetrical manner.
  • the burner body preferably has an essentially rectangular, polygonal, oval or a cross section formed from differently curved sections.
  • the torch body is non-cylindrical, but z. B. cuboid or a hollow body with one of the cross-sections described and a predetermined extent in an axial direction.
  • the burner body preferably has an inlet side for the mixture to enter its interior and an end face opposite the inlet side, each without channels, and is provided with channels on all other sides in such a way that a flame area surrounding these other sides can be flowed in an inhomogeneous manner by the mixture.
  • the invention therefore includes all measures that can be taken on the burner body in order to make the inflow of the mixture into the combustion chamber (seen globally) inhomogeneous and thus to generate flame areas of different strengths, whose strong areas enable a higher light yield when monitored with optical sensors .
  • a burner body is designed in such a way that during its operation the inhomogeneity of the flames between different partial flame areas surrounding it is between 20 and 100%, preferably between 40 and 60%.
  • FIG. 1 shows schematically a heater 1, which can be operated with hydrogen or a hydrogen-containing fuel gas.
  • Air usually outside air/ambient air
  • a blower 3 via an air supply 2 and conveyed via a supply line 13 on an inlet side 12 into an interior space 9 of a burner body 7 .
  • this burner body has an opposite end face 11 which essentially determines the shape of the burner body 7 . Between them lies the interior space 9 enclosed by the burner body 7 .
  • a first optical sensor 17 is arranged in such a way that it can observe part of the flames 24 in an observation area 22 .
  • the first sensor preferably observes an approximately conical observation area 22 with a cone angle of the cone of z. B. 5 - 30° [angular degrees], preferably 10 to 20°.
  • the first sensor 17 can either be designed to be wavelength-sensitive itself (sensitive only to a specific wavelength range), or an optical filter (not shown) is connected upstream of it, which only allows a specific wavelength range to reach the sensor 17 in which the optical emissions to be observed lie. Depending on the application, this wavelength range can be in the infrared range, in the range of visible light or in the ultraviolet range, where the combustion of fuel gases containing hydrogen generates lines in each case.
  • such a first sensor 17 will not be arranged inside a combustion chamber 10 simply because of its supply lines and its temperature sensitivity, which is why it is preferably located behind a window 21 arranged in the housing 15 .
  • the first sensor 17 does not necessarily have to be aimed at the torch body 7 either. It can also be aligned in such a way that the largest possible proportion of the entire flames 24 can be observed in its observation direction.
  • the arrangement described can measure optical emissions of the hydrogen and other radicals or molecules formed during combustion, which are excited during combustion. From their intensity, conclusions can be drawn, e.g. B.
  • the observation area 22 can only cover a small part of a flame area 8 around the burner body 7 that is in principle available. According to the state of the art, most of the flames 24 lie outside of the observation area 22, which can lead to a low light output and low significance of such measurements. With an increase in the number of sensors, the light yield and significance of Measurements can be increased, but only in proportion to the amount of equipment involved.
  • the invention creates additional possibilities for increasing the light yield and informative value, as will be explained in more detail with reference to the following figures.
  • the burner body 7 has a rectangular, here square, cross section.
  • the interior 9 thus has the shape of a cuboid or cube.
  • Flames 24 therefore do not form uniformly around the burner body 7, but there are two partial flame areas 25 with more flames 24 and two partial flame areas 23 (hatched) with fewer or no flames 24.
  • Two optical sensors 17, 18 behind windows 21 in the housing 15 observe the flames 24 in their respective observation area 22. With this arrangement, the sensors 17, 18 observe a much larger proportion of the flames 24 than if they were distributed evenly over the entire possible flame area 8. The light yield and thus the significance of the measurement increases as a result.
  • the measured values of the sensors 17, 18 can be sent to the control and regulation unit 20 individually or in combination.
  • Fig. 13 shows another embodiment of the invention, in which the torch body 7 has a cross-section of a triangle with outwardly convex sides. Channels 14 are distributed evenly over the burner body 7 (with the exception of the end face 11 and the inlet side 12), but the shape of the cross section results in partial flame areas 25 with more flames 24 and partial flame areas 23 (hatched) with fewer flames 24. In this Three sensors 17, 18, 19 observe the trap Flame sections 25 with more flames 24, which has the positive effect on the measurement described above.
  • the embodiment according to has the same favorable effect 4 , in which, regardless of the cross-sectional shape of the burner body 7 (can be round, oval, angular or formed from differently curved boundaries), a concentration of the flames 24 on certain partial flame areas 25 with more flames 24 is achieved by a suitable orientation of the channels 14.
  • a specific number of channels 14 can, for example, be aligned with a suitable point (or, for example, with one of the sensors 17, 18, 19). In this way too, partial flame areas 25 with more flames 24 and others 23 (again shown hatched) with fewer or no flames 24 are created. Even so, the sensors observe a larger proportion of the flames 24 than in the prior art.
  • a similar effect can also be achieved by a systematically distributed different density of channels 14 or by systematically distributed different cross sections of the individual channels 14 .
  • FIG. 12 illustrates again schematically in a perspective view the principle of the invention using a cuboid burner body 7, which here has channels 14 on only two sides. Even if it had ducts 14 on three or four sides (not including the front side 11 and the inlet side 12), an inhomogeneous distribution of flames 24 would still arise around the burner body 7, with more sensitive measurements being able to be carried out in partial flame areas 25 that are more strongly filled with flames 24 .
  • the measures described here for concentrating flames 24 in partial flame areas 25 can be used individually or in any combination with one another be applied.
  • the intensity of the inhomogeneity of the flames 24 to be generated depends on the desired light output, the number of sensors and the tolerable non-uniform distribution of the heat generated in the flames 24 .
  • the present invention makes it possible to increase the light yield and/or the informative value of optical measurements on flames of a combustion process without increasing the outlay for sensors.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung zur Verbrennung eines Gemisches aus Luft und einem Wasserstoff enthaltenden Brenngas oder im Wesentlichen reinem Wasserstoff in einem Verbrennungsraum (10), in den das Gemisch aus einem Brennerkörper (7) austreten kann, wobei der Brennerkörper (7) so gestaltet ist, dass im Betrieb Flammen (24) in mindestens einem vorgebbaren Flammenteilbereich (25) eines für Flammen (24) verfügbaren Flammenbereiches (8) um den Brennerkörper (7) vermehrt und/oder stärker auftreten als in anderen Flammenteilbereichen (23) und wobei mindestens ein optischer Sensor (17) vorhanden ist, der Licht aus einem Flammenteilbereich (25) mit mehr oder stärkeren Flammen (24) erfassen kann. Ein entsprechender Brennerkörper (7) weist eine Vielzahl von Kanälen (14) auf, wobei die Kanäle (14) unterschiedliche Querschnitte aufweisen und/oder inhomogen über den Brennerkörper (7) verteilt sind und/oder in unterschiedliche Richtungen zeigen. Alternativ oder additiv kann der Brennerkörper (7) nicht rotationssymmetrisch geformt sein, sondern im Wesentlichen einen rechteckigen, einen mehreckigen, einen ovalen oder einen aus unterschiedlich gekrümmten Abschnitten begrenzten Querschnitt aufweisen. Die Erfindung erlaubt es, ohne Steigerung des Aufwandes für Sensoren die Lichtausbeute und/oder Aussagekraft von optischen Messungen an Flammen (24) eines Verbrennungsprozesses zu erhöhen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine (Brenner-)Anordnung zur Verbrennung von Wasserstoff enthaltendem Brenngas, bevorzugt mit einem Wasserstoffanteil größer 10%, insbesondere größer 50%, ganz bevorzugt größer 97%. Wasserstoff als Brenngas oder als Beimischung zu Brenngasen wird immer wichtiger, und es werden große Anstrengen unternommen, neue oder auch existierende Brenner von Heizgeräten für einen Betrieb damit zu ertüchtigen. 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.
  • Wasserstoff unterscheidet sich bei seiner Verbrennung (mit Umgebungsluft) in mehreren Punkten von bisher verwendeten Brenngasen, insbesondere ist eine Wasserstofflamme für das menschliche Auge fast unsichtbar, strahlt weniger Wärme ab als mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen erzeugte Flammen, und Wasserstoffflammen benötigen zu ihrer Überwachung andere Messsysteme als die anderer Brennstoffe. Insbesondere liefern lonisationsmessungen keine zuverlässigen Signale bei hohen Anteilen von Wasserstoff im Brenngas. Die vorliegende Erfindung ist daher besonders, aber nicht nur anwendbar für Heizgeräte, die mit reinem Wasserstoff oder mit Brenngas, das zu mehr als 50% aus Wasserstoff besteht, betrieben werden.
  • Eine Verwendung von optischen Sensoren (für den sichtbaren, aber insbesondere auch für den Ultraviolett-Bereich des Lichtes) zur Flammenüberwachung und Regelung der Verbrennung unter Benutzung von optischen Filtern ist für Anwendungen bei Heizgeräten, die mit wasserstoffhaltigem Brenngas betrieben werden, schon beispielsweise aus der DE 10 2019 101 329 A1 bekannt. Auch die EP 2 223 016 B1 , die US 5 829 962 A und die DE19 509 704 A1 beschäftigen sich ausführlich mit optischen Messsystemen für die Flammenüberwachung, jedoch nicht besonders für Wasserstoffflammen oder für Flammen von Wasserstoff enthaltenden Brennstoffen.
  • Es wurde neu erkannt, dass ein Nachteil für die optische Überwachung von Flammen eines Brenners die Bauform solcher Brenner ist, die typischerweise (vor allem wegen der notwendigen Wärmeübertragung an ein Wärmeträgermedium) eine etwa gleichmäßige Verteilung der Flammen über einen großen Flammenbereich anstreben, insbesondere eine fast rotationssymmetrische Verteilung um einen zylindrischen Brennerkörper mit gleichmäßig an seiner Zylinderfläche verteilten Öffnungen für ein Gemisch aus Luft und Brenngas. Dies führt dazu, dass ein optischer Sensor, der schon wegen der im Verbrennungsraum auftretenden Temperaturen mit einem gewissen Abstand von den Flammen, insbesondere außerhalb eines Brennraumes hinter einem Fenster, angeordnet sein sollte, nur einen bestimmten, meist sehr kleinen Anteil von z. B. 1 bis 10 % der Flamme erfassen kann. Dadurch wird die Lichtausbeute (der Anteil des von der Flamme erzeugten Lichtes, das den Sensor erreicht) des Sensors eingeschränkt und eine präzise Überwachung erschwert. Dies kann auch durch optische Linsen oder eine geometrisch günstige Anordnung des Sensors nur teilweise verbessert werden. Es ist zwar bekannt, dies durch mehrere oder sogar viele (parallel geschaltete) Sensoren für unterschiedliche Flammenteilbereiche der Flamme auszugleichen, jedoch erfordert dies einen großen Aufwand, ohne die Ausbeute jedes einzelnen Sensors zu verbessern.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen, und eine Brenneranordnung und einen Brennerkörper zu schaffen, die eine größere Lichtausbeute von Sensoranordnungen ermöglichen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe dienen eine Brenneranordnung sowie ein Brennerkörper 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.
  • Vorgeschlagen wird eine Brenneranordnung zur Verbrennung eines Gemisches aus Luft und einem Wasserstoff enthaltenden Brenngas oder im Wesentlichen reinem Wasserstoff in einem Verbrennungsraum, in den das Gemisch aus einem Brennerkörper austreten kann. Dabei ist der Brennerkörper so gestaltet, dass im Betrieb Flammen in mindestens einem vorgebbaren Flammenteilbereich eines für Flammen verfügbaren Flammenbereiches um den Brennerkörper vermehrt und/oder stärker auftreten als in anderen Flammenteilbereichen und wobei mindestens ein optischer Sensor vorhanden ist, der Licht aus dem Flammenteilbereich mit mehr oder stärkeren Flammen erfassen kann.
  • Bei typischen Brenneranordnungen nach dem Stand der Technik wird angestrebt, in einem den Brennerkörper umgebenden Flammenbereich (das muss nicht der ganze, den Brennerkörper umgebende Raumbereich sein), beim Betrieb eine homogene Verteilung der Flammen zu erreichen. Meist haben Brennerkörper eine Eintrittsseite und eine dieser gegenüberliegende Stirnseite ohne Kanäle oder Öffnungen für Gemisch, wobei eine Mantelfläche (die nicht unbedingt zylindrisch sein muss) zwischen diesen beiden Seiten einen Innenraum umfasst und mit Kanälen zum Austritt des Gemisches versehen werden kann. Eine homogene Verteilung der Flammen außen um diese Mantelfläche erscheint auf den ersten Blick auch sinnvoll, weil dann Wärme bei der Verbrennung gleichmäßig verteilt entsteht und gleichmäßig in einem Wärmetauscher auf ein Wärmeträgermedium übertragen werden kann. Ein Nachteil ist allerdings, dass man mit einem optischen Sensor, insbesondere einem, der (aus Temperaturgründen weit) außerhalb des Flammenbereiches, meist sogar außerhalb eines Gehäuses des Verbrennungsraumes hinter einem Fenster, angeordnet ist, nur einen kleinen Teil des Flammenbereiches mit einer entsprechend geringen Ausbeute an Licht beobachten kann. Hier wird Abhilfe geschaffen, indem der Flammenbereich (global betrachtet) inhomogen gestaltet ist und mindestens ein Teilbereich des Flammenbereiches beobachtet wird, in dem mehr und/oder größere Flammen vorhanden sind als in anderen Teilbereichen. Eventuelle Nachteile einer inhomogenen Verteilung der Flammen um einen Brennerkörper sind überraschender Weise akzeptabel, weil diese sich durch Strahlung, Konvektion (Turbulenzen) und Wärmeleitung weitgehend ausgleichen, so dass trotzdem eine gute Wärmeübertragung an ein Wärmeträgermedium sichergestellt werden kann. Dafür kann bei Messung mit einem optischen Sensor eine höhere Lichtausbeute und/oder Aussagekraft für die gesamten Flammen erreicht werden, weil ein größerer Anteil der Flammen beobachtet wird. Bei mehreren Sensoren, die jeweils Flammenbereiche mit mehr und/oder größeren Flammen beobachten, kann dieser Effekt noch vervielfacht werden. Lediglich die in diesen Flammenteilbereichen entstehenden Maximaltemperaturen sollten so begrenzt bleiben, dass keine unzulässige Produktion von Stickoxiden stattfindet.
  • Von der Erfindung sind auch Fälle erfasst, bei denen in Teilbereichen um einen Brennerkörper, in denen nach dem Stand der Technik Flammen sein würden, keine Flammen oder nur Ausläufer benachbarter Flammen vorkommen, weil eine sehr inhomogene Verteilung der Flammen erfolgt. Der Flammenbereich umfasst in diesem Zusammenhang also auch potenziell für Flammen geeignete, aber nicht genutzte Raumbereiche um den Brennerkörper.
  • Bevorzugt ist der Brennerkörper so gestaltet ist, dass mehr und/oder stärkere Flammen in zwei, drei oder mehr Flammenteilbereichen auftreten und optische Sensoren für bzw. zur Erfassung von Licht aus zwei, drei oder mehr solchen Flammenteilbereichen vorhanden sind. Auf diese Weise können eine Redundanz und höhere Lichtausbeute bei Messungen erreicht werden, was insbesondere bei wellenlängenselektiven Messungen im Ultraviolett-Bereich wichtig ist, weil dabei nur geringe Mengen an Licht einfallen und verarbeitet werden können bzw. müssen.
  • Insbesondere ist der Brennerkörper so gestaltet, dass im Betrieb ein Unterschied an Energiefreisetzung (proportional zur Anzahl und Größe der Flammen) in verschiedenen Flammenteilbereichen von 20 bis 100%, vorzugsweise 40 bis 60%, entsteht. Dies wirkt sich direkt entsprechend auf die Lichtausbeute bei optischen Messungen aus. Dies bedeutet insbesondere, dass es Flammenteilbereiche mit wenig bis fast keinen Flammen geben kann, während in anderen Flammenteilbereichen entsprechend mehr Flammen vorhanden sind.
  • Besonders geeignet ist die Erfindung für hohe Anteile von Wasserstoff im Brenngas, wenn jeder optische Sensor für die Detektion von vorgebbaren Spektralbereichen im ultravioletten Spektrum des Lichts ausgelegt ist. In diesem Bereich liegen insbesondere typische Emissionen von OH*-Radikalen und von CH*-Radikalen, die sich nach dem Stand der Technik besonders für eine angestrebte Überwachung und Regelung eignen. Bei reinem Wasserstoff ist vor allem die Strahlung von OH*-Radikalen nutzbar.
  • In einer besonderen Ausführungsform sind alle optischen Sensoren mit einer Steuer- und Regeleinheit verbunden, die Sensorsignale auswerten und zur Flammenüberwachung und Regelung des Verbrennungsvorganges verarbeiten kann.
  • Gemäß einem anderen Aspekt wird auch ein Brennerkörper vorgeschlagen, insbesondere für die beschriebenen Brenneranordnungen, wobei der Brennerkörper einen Innenraum umschließt und eine Vielzahl von Kanälen zum Durchtritt von Gemisch aus Luft und Brenngas aus dem Innenraum in einen Verbrennungsraum aufweist. Die Kanäle haben dabei unterschiedliche Querschnitte und/oder sind inhomogen über die Oberfläche des Brennerkörpers verteilt und/oder zeigen in unterschiedliche Richtungen. Auf diese Weise kann unterschiedlich viel Gemisch in unterschiedliche Flammenteilbereiche um den Brennerkörper strömen. Die hier angegebenen Merkmale, die einzeln oder in verschiedenen Kombinationen miteinander Anwendung finden können, betreffen alle Kanäle (auch oft Brennerdüsen genannt), mit deren Gestaltung und Anordnung man die gewünschte inhomogene Verteilung des Brennstoffgemisches und damit der Flammen erreichen kann. Die Form des Brennerkörpers selbst kann unverändert bleiben, insbesondere wie aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform, die aber auch in Kombination mit den obigen Änderungen an den Kanälen Anwendung finden kann, ist der Brennerkörper, insbesondere für eine der beschriebenen Brenneranordnungen nicht rotationssymmetrisch geformt. Bevorzugt weist der Brennerkörper im Wesentlichen einen rechteckigen, einen mehreckigen, einen ovalen oder einen aus unterschiedlich gekrümmten Abschnitten gebildeten Querschnitt auf. Insbesondere ist der Brennerkörper nicht-zylindrisch, sondern z. B. quaderförmig oder ein Hohlkörper mit einem der beschriebenen Querschnitte und einer vorgebbaren Ausdehnung in einer axialen Richtung.
  • Bevorzugt weist der Brennerkörper eine Eintrittsseite zum Eintritt des Gemischs in seinen Innenraum und eine der Eintrittsseite gegenüberliegende Stirnseite jeweils ohne Kanäle auf und ist an allen übrigen Seiten so mit Kanälen versehen, dass ein diese übrigen Seiten umgebender Flammenbereich in inhomogener Weise vom Gemisch beströmbar ist. Die Erfindung umfasst also alle Maßnahmen, die man an dem Brennerkörper vornehmen kann, um die Einströmung des Gemisches in den Verbrennungsraum (global betrachtet) inhomogen zu gestalten und damit unterschiedlich starke Flammenbereiche zu erzeugen, deren starke Bereiche bei Überwachung mit optischen Sensoren eine höhere Lichtausbeute ermöglichen.
  • Insbesondere ist ein Brennerkörper so gestaltet, dass bei seinem Betrieb die Inhomogenität der Flammen zwischen unterschiedlichen ihn umgebenden Flammenteilbereichen zwischen 20 und 100%, vorzugsweise zwischen 40 und 60% liegt.
  • Schematische Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, das technische Umfeld und die Funktionsweise werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:
    • Fig. 1:
    ein Heizgerät mit einer optischen Beobachtung eines Flammenbereiches,
    Fig. 2:
    einen Querschnitt durch einen Verbrennungsraum gemäß Fig. 1 entlang der Linie I-I zur schematischen Veranschaulichung der Erfindung,
    Fig. 3:
    einen Querschnitt durch Fig. 1 entlang der Linie I-I zur schematischen Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform,
    Fig. 4:
    einen Querschnitt durch Fig. 1 entlang der Linie I-I zur schematischen Veranschaulichung einer noch weiteren Ausführungsform, und
    Fig. 5:
    eine schematische perspektivische Darstellung eines Brennerkörpers.
  • Fig. 1 zeigt schematisch ein Heizgerät 1, welches mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betreibbar ist. (In der Ansicht der Fig. 1 ist der Unterschied der Erfindung zum Stand der Technik noch nicht erkennbar). Über eine Luftzufuhr 2 wird Luft (meist Außenluft / Umgebungsluft) von einem Gebläse 3 angesaugt und über eine Zuleitung 13 an einer Eintrittsseite 12 in einen Innenraum 9 eines Brennerkörpers 7 gefördert. Dieser Brennerkörper weist neben der Eintrittsseite 12 eine dieser gegenüber liegende Stirnseite 11 auf, die im Wesentlichen die Form des Brennerkörpers 7 bestimmen. Zwischen ihnen liegt der vom Brennerkörper 7 umfasste Innenraum 9. Über eine Brenngaszufuhr 4 und ein Brenngasventil 5 wird dem vom Gebläse 3 erzeugten Luftstrom Brenngas in einem Mischer 6 (z. B. einer Venturidüse) beigemischt. Das Gemisch gelangt durch Kanäle 14 in dem Brennerkörper 7 von dem Innenraum 9 in einen Verbrennungsraum 10, der von einem Gehäuse 15 umgeben ist, und wird dort verbrannt, wobei Flammen 24 in einem Flammenbereich 8 entstehen. Entstehende Verbrennungsgase werden durch eine Abgasanlage 16 abgeführt. Ein erster optischer Sensor 17 ist so angeordnet, dass er in einem Beobachtungsbereich 22 einen Teil der Flammen 24 beobachten kann. Bevorzugt beobachtet der erste Sensor einen etwa kegelförmigen Beobachtungsbereich 22 mit einem Kegelwinkel des Kegels von z. B. 5 - 30° [Winkelgrad], vorzugsweise 10 bis 20°. Günstig (wegen hoher Temperaturen im Flammenbereich) für Messungen während eines Betriebes des Brennerkörpers 7 ist es, wenn der erste Sensor deutlich außerhalb des Flammenbereiches 8 liegt, insbesondere außerhalb des Gehäuses 15, was durch lichtleitende Fasern oder wie dargestellt durch ein geeignetes Fenster 21 im Gehäuse 15 erreicht werden kann. Der erste Sensor 17 kann entweder selbst wellenlängensensitiv (empfindlich nur für einen bestimmten Wellenlängenbereich) ausgelegt sein, oder es ist ihm ein (nicht dargestellter) optischer Filter vorgeschaltet, welcher nur einen bestimmten Wellenlängenbereich zum Sensor 17 gelangen lässt, in dem die zu beobachtenden optischen Emissionen liegen. Dieser Wellenlängenbereich kann je nach Anwendungsfall im Infrarotbereich, im Bereich des sichtbaren Lichtes oder im Ultraviolett-Bereich liegen, wo die Verbrennung von wasserstoffhaltigen Brenngasen jeweils Linien erzeugt. Im Allgemeinen wird ein solcher erster Sensor 17 schon wegen seiner Zuleitungen und seiner Temperaturempfindlichkeit nicht innerhalb eines Verbrennungsraumes 10 angeordnet werden, weshalb er bevorzugt hinter einem im Gehäuse 15 angeordneten Fenster 21 liegt. Der erste Sensor 17 muss auch nicht notwendigerweise auf den Brennerkörper 7 gerichtet sein. Er kann auch so ausgerichtet sein, dass in seiner Beobachtungsrichtung ein möglichst großer Anteil der gesamten Flammen 24 beobachtet werden kann. Eine Steuer- und Regeleinheit 20, mit der der erste Sensor 17 verbunden ist, wertet die Messignale des ersten Sensors 17 aus und überwacht damit die Flammen 24 und/oder regelt den Verbrennungsprozess. Die beschriebene Anordnung kann optische Emissionen des Wasserstoffs und anderer bei einer Verbrennung entstehender Radikale oder Moleküle messen, die bei der Verbrennung angeregt werden. Aus deren Intensität können Schlüsse z. B. auf die Zusammensetzung des Brennstoffes, die Qualität der Verbrennung, die Leistung des Brenners und dergleichen gezogen werden. Auch ein Einsatz als Flammenwächter und/oder zur Regelung der Verbrennung ist möglich. Allerdings ist ein Nachteil, dass der Beobachtungsbereich 22 nur einen kleinen Teil eines prinzipiell zur Verfügung stehenden Flammenbereiches 8 um den Brennerkörper 7 erfassen kann. Der größte Teil der Flammen 24 liegt nach dem Stand der Technik außerhalb des Beobachtungsbereiches 22, was zu einer geringen Lichtausbeute und Aussagekraft solcher Messungen führen kann. Mit Erhöhung der Zahl der Sensoren kann zwar die Lichtausbeute und Aussagekraft von Messungen erhöht werden, aber nur proportional mit dem apparativen Aufwand. Die Erfindung schafft zusätzliche Möglichkeiten zur Erhöhung der Lichtausbeute und Aussagekraft wie anhand der folgenden Figuren näher erläutert wird.
  • Fig. 2 zeigt in einem Querschnitt entlang der Linie I-I durch Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung. Man erkennt, dass der Brennerkörper 7 einen rechteckigen, hier quadratischen, Querschnitt aufweist. Der Innenraum 9 hat also die Form eines Quaders oder Würfels. Im dargestellten Beispiel gibt es nur an zwei Seiten des Rechtecks Kanäle 14, durch die Gemisch strömen kann. Es bilden sich also um den Brennerkörper 7 nicht gleichmäßig Flammen 24 aus, sondern es gibt zwei Flammenteilbereiche 25 mit mehr Flammen 24 und zwei Flammenteilbereiche 23 (schraffiert) mit weniger oder keinen Flammen 24. Zwei optische Sensoren 17, 18 hinter Fenstern 21 im Gehäuse 15 beobachten in ihrem jeweiligen Beobachtungsbereich 22 die Flammen 24. Bei dieser Anordnung beobachten die Sensoren 17, 18 einen viel größeren Anteil der Flammen 24, als wenn diese gleichmäßig über den gesamten möglichen Flammenbereich 8 verteilt wären. Die Lichtausbeute und damit die Aussagekraft der Messung wird dadurch größer. Die Messwerte der Sensoren 17, 18 können einzeln oder zusammengefasst an die Steuer- und Regeleinheit 20 geleitet werden.
  • Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der der Brennerkörper 7 etwa einen Querschnitt eines Dreiecks mit nach außen gewölbten Seiten hat. Hier sind Kanäle 14 zwar gleichmäßig über den Brennerkörper 7 (mit Ausnahme der Stirnseite 11 und der Eintrittsseite 12) verteilt, aber durch die Form des Querschnitts entstehen doch Flammenteilbereiche 25 mit mehr Flammen 24 und Flammenteilbereiche 23 (schraffiert) mit weniger Flammen 24. In diesem Falle beobachten drei Sensoren 17, 18, 19 die Flammenteilbereiche 25 mit mehr Flammen 24, was den oben beschriebenen positiven Effekt auf die Messung hat.
  • Den gleichen günstigen Effekt hat das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, bei dem unabhängig von der Querschnittsform des Brennerkörpers 7 (kann rund, oval, eckig oder aus unterschiedlich gekrümmten Begrenzungen gebildet sein) eine Konzentration der Flammen 24 auf bestimmte Flammenteilbereiche 25 mit mehr Flammen 24 durch eine geeignete Ausrichtung der Kanäle 14 erreicht wird. Eine bestimmte Anzahl an Kanälen 14, kann beispielsweise auf einen geeignet liegenden Punkt (oder z. B. auch jeweils auf einen der Sensoren 17, 18, 19) ausgerichtet sein. Auch auf diese Weise entstehen Flammenteilbereiche 25 mit mehr Flammen 24 und andere 23 (wieder schraffiert dargestellt) mit weniger oder keinen Flammen 24. Auch so beobachten die Sensoren einen größeren Anteil der Flammen 24 als nach dem Stand der Technik. Einen ähnlichen Effekt kann man alternativ oder additiv auch durch eine systematisch verteilte unterschiedliche Dichte an Kanälen 14 oder durch systematisch verteilte unterschiedliche Querschnitte der einzelnen Kanäle 14 erzielen.
  • Fig. 5 veranschaulicht nochmals schematisch in perspektivischer Ansicht das Prinzip der Erfindung anhand eines quaderförmigen Brennerkörpers 7, der hier nur an zwei Seiten Kanäle 14 aufweist. Auch wenn er an drei oder vier Seiten (ohne Stirnseite 11 und Eintrittsseite 12) Kanäle 14 hätte, würde immer noch eine inhomogene Verteilung von Flammen 24 um den Brennerkörper 7 herum entstehen, wobei in stärker von Flammen 24 erfüllten Flammenteilbereichen 25 empfindlichere Messungen durchgeführt werden können.
  • Die hier beschriebenen Maßnahmen zur Konzentration von Flammen 24 in Flammenteilbereichen 25 können einzeln oder in beliebigen Kombinationen miteinander angewendet werden. Die Stärke der zu erzeugenden Inhomogenität der Flammen 24 hängt von der gewünschten Lichtausbeute, der Zahl der Sensoren und der tolerierbaren Ungleichverteilung der in den Flammen 24 erzeugten Wärme ab.
  • Die vorliegende Erfindung erlaubt es, ohne Steigerung des Aufwandes für Sensoren die Lichtausbeute und/oder Aussagekraft von optischen Messungen an Flammen eines Verbrennungsprozesses zu erhöhen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Heizgerät
    2
    Luftzufuhr
    3
    Gebläse
    4
    Brenngaszufuhr
    5
    Brenngasventil
    6
    Mischer
    7
    Brennerkörper
    8
    Flammenbereich
    9
    Innenraum (des Brennerkörpers)
    10
    Verbrennungsraum
    11
    Stirnseite
    12
    Eintrittsseite
    13
    Zuleitung
    14
    Kanäle
    15
    Gehäuse (des Verbrennungsraumes)
    16
    Abgasanlage
    17
    Erster optischer Sensor
    18
    Zweiter optischer Sensor
    19
    Dritter optischer Sensor
    20
    Steuer- und Regeleinheit
    21
    Fenster (wellenlängenselektiv)
    22
    Beobachtungsbereich
    23
    Flammenteilbereich mit weniger oder kleineren Flammen
    24
    Flammen
    25
    Flammenteilbereich mit mehr oder stärkeren Flammen

Claims (9)

  1. Brenneranordnung zur Verbrennung eines Gemisches aus Luft und einem Wasserstoff enthaltenden Brenngas oder im Wesentlichen reinem Wasserstoff in einem Verbrennungsraum (10), in den das Gemisch aus einem Innenraum (9) eines Brennerkörpers (7), der von einer Eintrittsseite (12) und einer dieser gegenüberliegenden Stirnseite (11) und von einer dazwischen liegenden Mantelfläche mit Kanälen (14) begrenzt wird, austreten kann, wobei der Brennerkörper (7) so gestaltet ist, dass im Betrieb Flammen (24) in mindestens einem vorgebbaren Flammenteilbereich (25) eines für Flammen (24) verfügbaren Flammenbereiches (8) um den Brennerkörper (7) vermehrt und/oder stärker auftreten als in anderen Flammenteilbereichen (23) und wobei mindestens ein optischer Sensor (17) vorhanden ist, der Licht aus einem Flammenteilbereich (25) mit mehr oder stärkeren Flammen (24) erfassen kann.
  2. Brenneranordnung nach Anspruch 1, wobei der Brennerkörper (7) so gestaltet ist, dass mehr und/oder stärkere Flammen (24) in zwei, drei oder mehr Flammenteilbereichen (25) auftreten und optische Sensoren (17, 18, 19) zur Erfassung von Licht aus zwei, drei oder mehr solchen Flammenteilbereichen (25) vorhanden sind.
  3. Brenneranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Brennerkörper (7) so gestaltet ist, dass im Betrieb ein Unterschied an Energiefreisetzung in verschiedenen Flammenteilbereichen (23, 25) von 20 bis 100% entsteht.
  4. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder optische Sensor (17, 18, 19) für die Detektion von vorgebbaren Spektralbereichen im ultravioletten Spektrum des Lichts ausgelegt ist.
  5. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei alle optischen Sensoren (17, 18, 19) mit einer Steuer- und Regeleinheit (20) verbunden sind, die eingerichtet ist, Sensorsignale auszuwerten und zur Flammenüberwachung und Regelung des Verbrennungsvorganges zu verarbeiten.
  6. Brennerkörper (7), insbesondere für eine Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Brennerkörper (7) einen Innenraum (9) aufweist, der von einer Eintrittsseite (12) und einer dieser gegenüberliegenden Stirnseite (11) und einer dazwischen liegenden Mantelfläche mit einer Vielzahl von Kanälen (14), zum Durchtritt von Gemisch aus Luft und Brenngas aus dem Innenraum (9) in einen Verbrennungsraum (10), begrenzt wird, und wobei die Kanäle (14) unterschiedliche Querschnitte aufweisen und/oder inhomogen über den Brennerkörper (7) verteilt sind und/oder in unterschiedliche Richtungen zeigen, so dass unterschiedlich viel Gemisch in unterschiedliche Flammenteilbereiche (23, 25) um den Brennerkörper (7) strömen kann.
  7. Brennerkörper (7), insbesondere für eine Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Brennerkörper (7) nicht rotationssymmetrisch geformt ist, sondern im Wesentlichen einen rechteckigen, einen mehreckigen, einen ovalen oder einen aus unterschiedlich gekrümmten Abschnitten begrenzten Querschnitt aufweist.
  8. Brennerkörper (7) nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Brennerkörper (7) eine Eintrittsseite (12) zum Eintritt des Gemischs in seinen Innenraum (9) und eine der Eintrittsseite (12) gegenüberliegende Stirnseite (11) ohne Kanäle (14) aufweist und an allen übrigen Seiten so mit Kanälen (14) versehen ist, dass ein diese übrigen Seiten umgebender Flammenbereich (8) in inhomogener Weise vom Gemisch beströmbar ist.
  9. Brennerkörper (7) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Brennerkörper (7) so gestaltet ist, dass bei seinem Betrieb die Inhomogenität der Flammen (24) in unterschiedlichen ihn umgebenden Flammenteilbereichen (23, 25) zwischen 20 und 100% liegt.
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