EP4008954A2 - Burner assembly for combustion of hydrogen-containing fuel gas and burner body - Google Patents

Burner assembly for combustion of hydrogen-containing fuel gas and burner body Download PDF

Info

Publication number
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
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
burner body
flames
burner
flame
mixture
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
EP21210246.1A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP4008954A3 (en
Inventor
Bodo Oerder
Arnold Wohlfeil
Fabian Staab
Jochen Grabe
Michael Schumacher
Matthias Hopf
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
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vaillant GmbH filed Critical Vaillant GmbH
Publication of EP4008954A2 publication Critical patent/EP4008954A2/en
Publication of EP4008954A3 publication Critical patent/EP4008954A3/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D14/00Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D14/00Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/48Nozzles
    • F23D14/58Nozzles characterised by the shape or arrangement of the outlet or outlets from the nozzle, e.g. of annular configuration
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23NREGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00Systems for controlling combustion
    • F23N5/02Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/08Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements
    • F23N5/082Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements using electronic means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D2203/00Gaseous fuel burners
    • F23D2203/10Flame diffusing means
    • F23D2203/101Flame diffusing means characterised by surface shape
    • F23D2203/1012Flame diffusing means characterised by surface shape tubular
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D2203/00Gaseous fuel burners
    • F23D2203/10Flame diffusing means
    • F23D2203/102Flame diffusing means using perforated plates
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23NREGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2229/00Flame sensors
    • F23N2229/04Flame 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.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Gas Burners (AREA)

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.The invention relates to a burner arrangement for burning a mixture of air and a fuel gas containing hydrogen or essentially pure hydrogen in a combustion chamber (10) into which the mixture can exit from a burner body (7), the burner body (7) being designed in this way that during operation, flames (24) occur more frequently and/or more intensely in at least one predefinable partial flame area (25) of a flame area (8) available for flames (24) around the burner body (7) than in other partial flame areas (23) and wherein at least one optical sensor (17) is present, which can detect light from a partial flame area (25) with more or stronger flames (24). A corresponding burner body (7) has a large number of channels (14), the channels (14) having different cross sections and/or being distributed inhomogeneously over the burner body (7) and/or pointing in different directions. Alternatively or in addition, the burner body (7) may not be formed in a rotationally symmetrical manner, but rather have a substantially rectangular, polygonal, oval or a cross section delimited by differently curved sections. The invention makes it possible to increase the light yield and/or the informative value of optical measurements on flames (24) of a combustion process without increasing the expense for sensors.

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.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.

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.During its combustion (with ambient air), 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.

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.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. Also 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.

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.It was newly recognized that a disadvantage for the optical monitoring of flames of a burner is the design of such burners, which typically (mainly because of the necessary heat transfer to a heat transfer medium) strive for an approximately uniform distribution of the flames over a large flame area, in particular an almost Rotationally symmetrical distribution around a cylindrical burner body with openings for a mixture of air and fuel gas evenly distributed on its cylinder surface. As a result, an optical sensor, which should be located at a certain distance from the flames, especially outside of a combustion chamber behind a window, because of the temperatures occurring in the combustion chamber, only detects a certain, usually very small proportion of z. B. can detect 1 to 10% of the flame. This limits the light output (the portion of the light generated by the flame that reaches the sensor) of the sensor and makes precise monitoring difficult. This can only partially be improved by optical lenses or a geometrically favorable arrangement of the sensor. Although it is known that this can be compensated for by several or even many sensors (connected in parallel) for different partial flame areas of the flame, this requires a great deal of effort without improving the yield of each individual sensor.

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.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.

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.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. The description, in particular in connection with the drawing, illustrates the invention and specifies further exemplary embodiments.

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.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.

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.In typical burner arrangements according to the prior art, 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, however, 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. Surprisingly, 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. On the other hand, when measuring with an optical sensor, a higher light output and/or significance for the entire flame can be achieved because a larger proportion of the flames is observed. This effect can be multiplied even more if there are several sensors, each observing flame areas with more and/or larger flames. Only the maximum temperatures occurring in these partial flame areas should remain so limited that no impermissible production of nitrogen oxides takes place.

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.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. In this context, the flame area also includes areas around the burner body that are potentially suitable for flames but not used.

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.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.

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.In particular, 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.

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.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.

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.In a special embodiment, 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.

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.According to another aspect, 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.

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.In an alternative embodiment, which can also be used in combination with the above changes to the channels, 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. In particular, 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.

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.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 .

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.In particular, 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%.

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.
Schematic exemplary embodiments of the invention, to which this is not limited, the technical environment and the mode of operation will now be explained in more detail with reference to the drawing. They represent:
Figure 1:
a heater with a visual observation of a flame area,
Figure 2:
according to a cross section through a combustion chamber 1 along line II to schematically illustrate the invention,
Figure 3:
a cross section 1 along the line II for the schematic illustration of a further embodiment,
Figure 4:
a cross section 1 along line II to schematically illustrate yet another embodiment, and
Figure 5:
a schematic perspective view of a burner body.

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. 1 shows schematically a heater 1, which can be operated with hydrogen or a hydrogen-containing fuel gas. (In the view of 1 the difference between the invention and the prior art is not yet recognizable). Air (usually outside air/ambient air) is sucked in by 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 . In addition to the inlet side 12 , 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 . Via a fuel gas supply 4 and a fuel gas valve 5 , fuel gas is added to the air flow generated by the blower 3 in a mixer 6 (eg a Venturi nozzle). The mixture passes through channels 14 in the burner body 7 from the interior 9 into a combustion chamber 10 which is surrounded by a housing 15 and is burned there, with flames 24 being produced in a flame area 8 . Combustion gases produced are discharged through an exhaust system 16 . 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°. It is favorable (because of the high temperatures in the flame area) for measurements during operation of the burner body 7 if the first sensor is clearly outside of the flame area 8, in particular outside of the housing 15, which can be done by light-conducting fibers or, as shown, by a suitable window 21 in the housing 15 can be reached. 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. In general, 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. A control and regulation unit 20, to which the first sensor 17 is connected, evaluates the measurement signals from the first sensor 17 and uses them to monitor the flames 24 and/or regulate the combustion process. 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. on the composition of the fuel, the quality of combustion, the performance of the burner and the like can be drawn. It can also be used as a flame monitor and/or to regulate combustion. However, one disadvantage is that 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.

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. 2 shows in a cross section along the line II 1 an embodiment of the invention in a schematic representation. It can be seen that the burner body 7 has a rectangular, here square, cross section. The interior 9 thus has the shape of a cuboid or cube. In the example shown, there are channels 14 through which the mixture can flow on only two sides of the rectangle. 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. 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. 3 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.

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.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. Alternatively or additionally, 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. 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. figure 5 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 .

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.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 .

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.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.

BezugszeichenlisteReference List

11
Heizgerätheater
22
Luftzufuhrair supply
33
Gebläsefan
44
Brenngaszufuhrfuel gas supply
55
Brenngasventilfuel gas valve
66
Mischermixer
77
Brennerkörpertorch body
88th
Flammenbereichflame area
99
Innenraum (des Brennerkörpers)interior (of the torch body)
1010
Verbrennungsraumcombustion chamber
1111
Stirnseiteface
1212
Eintrittsseiteentry side
1313
Zuleitungsupply line
1414
Kanälechannels
1515
Gehäuse (des Verbrennungsraumes)housing (of the combustion chamber)
1616
Abgasanlageexhaust system
1717
Erster optischer SensorFirst optical sensor
1818
Zweiter optischer SensorSecond optical sensor
1919
Dritter optischer SensorThird optical sensor
2020
Steuer- und Regeleinheitcontrol and regulation unit
2121
Fenster (wellenlängenselektiv)window (wavelength selective)
2222
Beobachtungsbereichobservation area
2323
Flammenteilbereich mit weniger oder kleineren FlammenFlame section with fewer or smaller flames
2424
FlammenFlames
2525
Flammenteilbereich mit mehr oder stärkeren FlammenFlame section with more or stronger flames

Claims (9)

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.Burner arrangement for burning a mixture of air and a hydrogen-containing fuel gas or essentially pure hydrogen in a combustion chamber (10) into which the mixture from an interior (9) of a burner body (7), from an inlet side (12) and one of these opposite end face (11) and is delimited by an intervening lateral surface with channels (14), the burner body (7) being designed in such a way that, during operation, flames (24) appear in at least one predeterminable partial flame area (25) of a flame (24) available flame area (8) around the burner body (7) to a greater extent and/or occur more strongly than in other partial flame areas (23) and with at least one optical sensor (17) being present which detects light from a partial flame area (25) with more or stronger flames (24) can detect. 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.Burner arrangement according to claim 1, wherein the burner body (7) is designed so that more and/or stronger flames (24) appear in two, three or more flame sections (25) and optical sensors (17, 18, 19) for detecting light of two, three or more such partial flame areas (25) are present. 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.Burner arrangement according to Claim 1 or 2, in which the burner body (7) is designed in such a way that during operation there is a difference in energy release in different partial flame regions (23, 25) of 20 to 100%. 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.Burner arrangement according to one of the preceding claims, in which each optical sensor (17, 18, 19) is designed for the detection of predeterminable spectral ranges in the ultraviolet spectrum of light. 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.Burner arrangement according to one of the preceding claims, wherein all optical sensors (17, 18, 19) are connected to a control and regulation unit (20) which is set up to evaluate sensor signals and process them for flame monitoring and regulation of the combustion process. 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.Burner body (7), in particular for a burner arrangement according to one of Claims 1 to 5, the burner body (7) having an interior space (9) which is defined by an inlet side (12) and an end face (11) lying opposite thereto and a lateral surface lying in between with a plurality of channels (14) for the passage of a mixture of air and fuel gas from the interior (9) into a combustion chamber (10), and wherein the channels (14) have different cross sections and/or are inhomogeneous across the burner body (7) are distributed and/or point in different directions, so that different quantities of the mixture can flow into different partial flame areas (23, 25) around the burner body (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.Burner body (7), in particular for a burner arrangement according to one of claims 1 to 5, wherein the burner body (7) is not rotationally symmetrical in shape but essentially has a rectangular, polygonal, oval or differently curved cross-section. 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.Burner body (7) according to claim 6 or 7, wherein the burner body (7) has an inlet side (12) for the mixture to enter its interior (9) and an end face (11) opposite the inlet side (12) without channels (14) and is provided with channels (14) on all other sides in such a way that a flame region (8) surrounding these other sides can be flowed in an inhomogeneous manner by the mixture. 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.Burner body (7) according to one of claims 6 to 8, wherein the burner body (7) is designed such that during its operation the inhomogeneity of the flames (24) in different partial flame areas (23, 25) surrounding it is between 20 and 100%.
EP21210246.1A 2020-12-07 2021-11-24 Burner assembly for combustion of hydrogen-containing fuel gas and burner body Pending EP4008954A3 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020132434.0A DE102020132434A1 (en) 2020-12-07 2020-12-07 Burner arrangement for the combustion of fuel gas containing hydrogen and burner body

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP4008954A2 true EP4008954A2 (en) 2022-06-08
EP4008954A3 EP4008954A3 (en) 2022-10-12

Family

ID=78789737

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP21210246.1A Pending EP4008954A3 (en) 2020-12-07 2021-11-24 Burner assembly for combustion of hydrogen-containing fuel gas and burner body

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP4008954A3 (en)
DE (1) DE102020132434A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022123091A1 (en) 2022-09-12 2024-03-14 Vaillant Gmbh Method for operating a heater, computer program, control and control device and heater

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19509704A1 (en) 1995-03-09 1996-09-12 Just Hans Juergen Dr Combustion process control using radiation sensors
US5829962A (en) 1996-05-29 1998-11-03 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et, L'exploitation Des Procedes Georges Method and apparatus for optical flame control of combustion burners
EP2223016B1 (en) 2007-12-19 2018-02-07 ABB Research Ltd. Flame scanning device and method for its operation
DE102019101329A1 (en) 2019-01-18 2020-07-23 Vaillant Gmbh Method and device for controlling the mixing ratio of combustion air and fuel gas in a combustion process

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BR8707991A (en) * 1987-08-03 1990-05-22 Worgas Bruciatori Srl COMBUSTION AND GAS BURNER PROCESS WITH A VERY LOW LEVEL OF HARMFUL EMISSION NOX, CO.
IT1283699B1 (en) 1996-03-25 1998-04-30 Enrico Sebastiani ADJUSTMENT OF THE SPEED OF THE OUTLET OF THE AIR-GAS MIXTURE FROM THE FLAME OUTLETS OF GAS BURNERS
US20110008737A1 (en) 2009-06-15 2011-01-13 General Electric Company Optical sensors for combustion control
US8505303B2 (en) 2009-12-11 2013-08-13 General Electric Company Impurity detection in combustor systems
DE202011005262U1 (en) * 2010-05-28 2011-12-22 Jaroslav Klouda Burner with ignition aid

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19509704A1 (en) 1995-03-09 1996-09-12 Just Hans Juergen Dr Combustion process control using radiation sensors
US5829962A (en) 1996-05-29 1998-11-03 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et, L'exploitation Des Procedes Georges Method and apparatus for optical flame control of combustion burners
EP2223016B1 (en) 2007-12-19 2018-02-07 ABB Research Ltd. Flame scanning device and method for its operation
DE102019101329A1 (en) 2019-01-18 2020-07-23 Vaillant Gmbh Method and device for controlling the mixing ratio of combustion air and fuel gas in a combustion process

Also Published As

Publication number Publication date
EP4008954A3 (en) 2022-10-12
DE102020132434A1 (en) 2022-06-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE2832708C2 (en)
DE4033296C2 (en) Gas burner and method for operating one
DE7711192U1 (en) DEVICE FOR TIGHTNESS TESTING OF FILTERS
DE19628960A1 (en) Temperature measuring device
DD150642A5 (en) VERGASUNGSOELBRENNER
DE3842842A1 (en) ATMOSPHERIC BURNER
EP4008954A2 (en) Burner assembly for combustion of hydrogen-containing fuel gas and burner body
DE3443604C2 (en) Device for a weather resistance test
DE3111322A1 (en) Method and apparatus for measuring the number of ultrasmall particles
EP0969192B1 (en) Method to equalize the fuel distribution in a gas turbine with several burners
DE2403320A1 (en) ACOUSTIC FLAME DETECTORS FOR STEAM GENERATORS
EP2462381B1 (en) Counter-flow combustor
DE69422769T2 (en) Device for heating enclosed spaces
WO2008037310A1 (en) Protective device for the optics of a laser working device with at least one nozzle arranged in a corner region
DE69833416T2 (en) incinerator
EP4063733A1 (en) Arrangement for reducing the consequences of a flashback in a premix burner of a heater
EP3995817A1 (en) Method and assembly for detecting hydrogen in a heater operable with hydrogen or hydrogen-containing fuel gas
EP0631128A1 (en) Device for investigating a gas
DE19503781A1 (en) Gas or oil burner air flow mixing system
DE1751483A1 (en) Gas burner
DE3503554C2 (en)
EP4075061B1 (en) Arrangement for reducing the consequences of a flashback in a premix burner of a heater
EP4023938B1 (en) Burner arrangement for a pre-mix burner
DE1501922C (en) Burners for oil, gas or coal dust to fire a boiler room
AT520416B1 (en) Measuring device for detecting a measured variable of a particle-laden fluid

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN PUBLISHED

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

PUAL Search report despatched

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009013

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A3

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

RIC1 Information provided on ipc code assigned before grant

Ipc: F23N 5/08 20060101ALI20220905BHEP

Ipc: F23D 14/58 20060101ALI20220905BHEP

Ipc: F23D 14/02 20060101AFI20220905BHEP

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20230214

RBV Designated contracting states (corrected)

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20240222