EP4047269A1 - Brenner für ein heizgerät und seine anordnung im heizgerät - Google Patents

Brenner für ein heizgerät und seine anordnung im heizgerät Download PDF

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EP4047269A1
EP4047269A1 EP22153219.5A EP22153219A EP4047269A1 EP 4047269 A1 EP4047269 A1 EP 4047269A1 EP 22153219 A EP22153219 A EP 22153219A EP 4047269 A1 EP4047269 A1 EP 4047269A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
burner
structures
burner body
shaped
combustion chamber
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP22153219.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Altendorf
Andreas Reinert
Klaus Richter
Bodo Oerder
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 EP4047269A1 publication Critical patent/EP4047269A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • F23D14/66—Preheating the combustion air or gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details
    • F23D14/70—Baffles or like flow-disturbing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • F28D7/024—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled the conduits of only one medium being helically coiled tubes, the coils having a cylindrical configuration
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    • F28D2021/0024—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for combustion apparatus, e.g. for boilers

Definitions

  • the invention relates to a burner for a heater that can be operated with different fuel gases, including hydrogen and/or a fuel gas containing hydrogen, and arrangements of such a burner in a combustion chamber of the heater.
  • 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 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. Gas heaters are durable consumer goods and should be able to be adjusted or converted to different gas qualities over the course of their service life and, in the future, also from methane to hydrogen combustion.
  • Pot-shaped (usually cylindrical) burners are well known in heating appliances. Such a burner is mounted on a burner door built into a combustion chamber with a surrounding heat exchanger. A pre-mixed, combustible mixture of fuel gas and air flows through the burner door into the burner. The fuel gas flows through holes with a definable hole pattern in a (cylindrical) jacket area of the burner into the combustion chamber, where it is ignited and burns.
  • the hole pattern is designed in such a way that the outflow speed of the combustible gas-air mixture into the combustion chamber is matched to the respective flame speed (depending on the fuel gas).
  • the temperature of the burner body must never reach the ignition temperature of the combustible gas-air mixture in order to prevent backfires within the burner (flame flashback into an interior of the burner body).
  • hydrogen differs from previously used fuel gases in several respects, in particular a hydrogen flame is almost invisible to the human eye (but radiates in the ultraviolet spectral range), radiates less heat than flames produced with carbonaceous fuels, but burns hotter.
  • the present invention is also intended to make heating devices particularly suitable for switching to operation with pure hydrogen or with fuel gas that consists of more than 50%, in particular more than 97%, hydrogen.
  • the object of the present invention is to at least partially solve the problems described with reference to the prior art and in particular to create a burner and to arrange it in a combustion chamber in such a way that additional possibilities for cooling the burner body and its surroundings can be used.
  • a burner according to the independent claim serves to solve this problem.
  • Advantageous refinements and developments of the invention and a corresponding arrangement of such burners are specified in the dependent claims.
  • a burner for a heater with a burner body which has an inner surface facing an interior space and an outer surface facing a combustion space, with a large number of holes through which a fuel gas-air mixture can flow from the interior space of the burner body into the combustion space can flow, the burner body having structures for transporting heat and/or for shielding heat on the inner surface and/or the outer surface.
  • a burner body is heated from the outside mainly by radiation (and sometimes convection), while a relatively cold mixture of fuel gas and air flows inside.
  • An important aspect of the present concept is to use the fuel gas-air mixture more for cooling of the torch body than prior art torches.
  • the burner body is provided with structures that can dissipate heat.
  • the concept is also useful in outward protruding structures that may be used to achieve desired heat dissipation and/or component shielding.
  • somewhat more complex bodies are used here, which, however, can solve some of the problems described above.
  • a large number of such local structures are preferably provided on the surface of the burner body, with these possibly having an overriding pattern and/or a regular distribution.
  • the structures preferably protrude into the interior of the burner body and are designed to transport heat from the burner body to the fuel gas/air mixture flowing in the interior.
  • the heat transferred to the mixture is not lost, but enters the combustion chamber and can be used there together with the heat generated during combustion. Despite this, the burner temperature remains lower than in the prior art.
  • the structures increase an inner surface area of the burner body that is in heat-transferring contact with the fuel gas-air mixture.
  • the structures are dome-, rib-, lamellar-, fir-tree- and/or antenna-shaped. Any shape that leads to greater heat transfer to the fuel-air mixture is advantageous, so that a production-technically suitable and cost-effective solution can be chosen depending on the requirements.
  • the arrangement of the holes (hole pattern) in the burner body should then be such that the structures do not impede the outflow of the mixture, but the area around the holes is well cooled becomes. This can be achieved by embossed or molded structures or by structures attached in some other way.
  • a burner is typically attached to a burner door of a combustion chamber, which is heated by flames and their thermal radiation and convection during operation of the heater, so that heat has to be dissipated there, which is essentially lost. Structures emanating from the torch body can capture and dissipate some of this heat, reducing these losses. The same also applies to the opposite end face of the torch body, where losses to a housing can occur.
  • the structures are disk-shaped and run approximately perpendicularly to a longitudinal axis of the burner body.
  • Such panes shield areas of the housing that are not protected by heat exchanger surfaces and thus reduce the losses of the heater. This can be achieved particularly favorably in conjunction with other structures, as will be described below.
  • An arrangement of a burner as previously described also serves to solve the problem, with the dimensions and/or positioning of the burner being arranged in a combustion chamber with a heat exchanger, specifically at a specified distance from the heat exchanger and a specified burn-out height of when the fuel gas is burned -Air mixture resulting flames.
  • an arrangement is selected in which the distance and/or the burn-out height is application-oriented and/or as favorable as possible for efficient use.
  • a burner in the present concept no longer has to be dimensioned according to how its permissible maximum temperature can be maintained (it may become too large as a result), but can be built so small that there is an optimal distance in a compact heating device to a surrounding heat exchanger, which means that there is enough space for the flames that develop during combustion (sufficient burn-out height) so that they do not reach the heat exchanger, but only the resulting combustion gases give off their heat there.
  • the disk-shaped structures run parallel to other disk-shaped structures that are fastened in a heat-conducting manner to a heat exchanger arranged in the combustion chamber, with the disk-shaped structures and the other disk-shaped structures in particular overlapping at least in an overlapping area and with a gap width of 0.1 to 10 mm [millimeters] apart.
  • this creates a practically closed shield for parts of the housing behind the panes, and on the other hand, the overlapping area allows additional heat transfer between the panes (a kind of labyrinth effect). Heat is thus transferred from the warmer disc, which will generally be the one attached to the burner body, to the colder disc (which will usually be the one attached to the heat exchanger). In this way, heat can even be dissipated from the burner body to the heat exchanger.
  • the disc-shaped structures are preferably designed to shield heat from the flames around the burner body from areas of a housing surrounding the combustion chamber that are not protected by the heat exchanger. This reduces the heat losses to the outside and additional heat can be dissipated from the burner body to the heat exchanger.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section of a burner body 7 of a burner 5 for a heater 1, not shown in detail, which can be operated with conventional fuels, but in particular also with hydrogen or a hydrogen-containing fuel gas.
  • the burner body 7 is attached to a so-called burner door (or burner flap) 6 and protrudes into a combustion chamber 2 .
  • the burner body 7 has a length L and (if it is cylindrical as in the present embodiment) a diameter D and a longitudinal axis 9.
  • An inlet-side end face 10 and an outlet-side end face 11 carry a cylindrical shell with holes 12.
  • a fuel gas-air mixture G exits from these holes 12 from an interior space 8 of the burner body 7 into the combustion chamber 2 and is burned there with the formation of flames 13.
  • FIG. 2 also shows a schematic and longitudinal section of a burner 5, installed in a combustion chamber 2 with a surrounding heat exchanger 4, both surrounded by a housing 3.
  • Combustion gas-air mixture G flows into the interior 8 of the burner 5 (indicated by a large arrow) and arrives through the holes 12 into the combustion chamber 2 where it burns to form flames 13.
  • the resulting hot combustion gases (indicated by many small arrows) flow through the heat exchanger 4, give off a large part of the heat generated during combustion and then reach an outlet 26 as exhaust gas E.
  • Disc-like structures 21 on the outside of the torch body 7 can help here, especially if the burner body 7 is cooled by additional measures, but also independently of this, particularly in conjunction with other disc-like structures 22 that are attached to the heat exchanger 4 .
  • Such disk-like structures 21, 22 individually and particularly in combination provide shielding for the unprotected areas 25.
  • the disk-like structures 21 are attached to the outside of the torch body 7 in end-face areas 24 of the torch body 7, essentially perpendicular to the torch axis 9.
  • FIG. 3 shows a section 2 , namely the area around the overlapping area 23 of the disk-like structure 21 and the further disk-like structure 22.
  • These structures 21, 22 may, since they should also conduct heat, have a thickness of z. B. have 1 to 3 mm.
  • the overlapping area 23 has a similar effect to direct contact (the smaller the gap width S, the more similar). No radiation gets through and hardly any gas, but heat is transferred from the warmer to the colder structure 21,22.
  • cooling structures 16, 17, 18, 19, 20 in the interior 8 of the burner body 7 are shown schematically, specifically in a section through a part of the burner body 7 with holes 12 .
  • B. (between the holes 12) can be embossed and is therefore easy to manufacture.
  • Such domes or dome-like points cause a larger surface and thus heat dissipation.
  • Each type and size of rib-shaped structures 17 also has this effect, which is intensified in the case of structures 19 in the form of a fir tree or structures 20 in the form of antennas.
  • lamellar structures 18 can contribute to the cooling.
  • the present invention makes it possible to build burners for compact heaters that can be adapted to various fuel gases, in particular also to hydrogen, and to largely avoid overheating and flashbacks and to reduce heat losses to the outside.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner (5) für ein Heizgerät (1) mit einem Brennerkörper (7), der eine Innenoberfläche (14) hin zu einem Innenraum (8) und eine Außenoberfläche (15) hin zu einem Verbrennungsraum (2) aufweist, mit einer Vielzahl von Löchern (12), durch die ein Brenngas-Luft-Gemisch (G) aus dem Innenraum (8) des Brennerkörpers (7) in den Verbrennungsraum (2) strömen kann, wobei der Brennerkörper (7) an der Innenoberfläche (14) und/oder der Außenoberfläche (15) Strukturen (16 bis 21) zum Transport und/oder zur Abschirmung von Wärme aufweist und eine Anordnung eines solchen Brenners (5), wobei der Brenner (5) in seiner Dimensionierung (L, D) und Positionierung in einem Verbrennungsraum (2) mit Wärmetauscher (4) die für einen effizienten Einsatz günstigsten Daten bezüglich eines Abstandes (A) zum Wärmetauscher (4) und einer Ausbrandhöhe (H) von bei einer Verbrennung des Brenngas-Luft-Gemisches (G) entstehenden Flammen (13) aufweist. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, an verschiedene Brenngase, insbesondere auch an Wasserstoff, anpassbare Brenner für kompakte Heizgeräte zu bauen und eine Überhitzung und Flammenrückschläge weitgehend zu vermeiden sowie Wärmeverluste nach außen zu vermindern.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Brenner für ein Heizgerät, das mit unterschiedlichen Brenngasen, darunter auch Wasserstoff und/oder ein wasserstoffhaltiges Brenngas, betreibbar ist, und Anordnungen eines solchen Brenners in einem Verbrennungsraum des Heizgerätes.
  • Wasserstoff als Brenngas oder als Beimischung zu Brenngasen wird immer wichtiger, und es werden große Anstrengen unternommen, neue oder auch existierende Heizgeräte 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. Gasheizgeräte sind langlebige Konsumgüter und sollten über ihre Einsatzdauer auf unterschiedliche Gasqualitäten und zukünftig auch von einer Methan- auf eine Wasserstoffverbrennung eingestellt oder umgestellt werden können.
  • Topfförmige (meist zylindrische) Brenner sind bei Heizgeräten weithin bekannt. Ein solcher Brenner ist an einer Brennertür montiert, die in eine Verbrennungskammer mit umliegendem Wärmetauscher eingebaut ist. Ein vorgemischtes, brennbares Brenngas-Luft-Gemisch strömt durch die Brennertür in den Brenner. Durch Löcher mit einem vorgebbaren Lochbild in einem (zylindrischen) Mantel-Bereich des Brenners strömt das Brenngas weiter in den Verbrennungsraum, wo es gezündet wird und verbrennt. Das Lochbild ist so gestaltet, dass die Ausströmgeschwindigkeit des Brenngas-Luft-Gemisches in den Verbrennungsraum auf die jeweilige (vom Brenngas abhängige) Flammgeschwindigkeit abgestimmt ist. Darüber hinaus ist es wichtig, dass die Flamme mit einem gewissen Abstand zu einer Oberfläche eines Brennerkörpers brennt, um dessen Temperatur niedrig zu halten. Dies ist über einen gesamten Modulationsbereich (Bereich unterschiedlicher einstellbarer Leistung) des Heizgerätes anzustreben. Die Temperatur des Brennerkörpers darf in keinem Fall die Zündtemperatur des Brenngas-Luft-Gemisches erreichen, um ein Rückzünden innerhalb des Brenners (Flammenrückschlag in einen Innenraum des Brennerkörpers) zu verhindern.
  • Wasserstoff unterscheidet sich bei seiner Verbrennung in mehreren Punkten von bisher verwendeten Brenngasen, insbesondere ist eine Wasserstofflamme für das menschliche Auge fast unsichtbar (strahlt aber im ultravioletten Spektralbereich), strahlt weniger Wärme ab als mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen erzeugte Flammen, brennt aber heißer. Die vorliegende Erfindung soll Heizgeräte besonders auch geeignet machen für eine Umstellung auf einen Betrieb mit reinem Wasserstoff oder mit Brenngas, das zu mehr als 50%, insbesondere mehr als 97% aus Wasserstoff besteht.
  • Bei der Konstruktion von Brennerkörpern und deren Anordnung in einem Verbrennungsraum wurde bisher hauptsächlich auf eine einfache und kostengünstige Herstellung und Montage geachtet, wobei im Wesentlichen das Lochbild und die Dimensionen des Brennerkörpers sowie Betriebsparameter des Heizgerätes im Zentrum der Überlegungen standen. Die Anforderungen bei Verwendung unterschiedlicher Brenngase sind damit aber schwer zu erfüllen. Die Kühlung des Brennerkörpers erfolgt dabei zum einen über Wärmeleitung an angrenzende Komponenten eines Geräteumfeldes, führt damit aber zu Energieverlust. Zum anderen nimmt das ausströmende Brenngas-Luft-Gemisch Wärme auf und führt sie in den Verbrennungsraum ab. Die Konzentration einer aktiv zur Verbrennung dienenden Fläche auf einer zylindrischen Brenneroberfläche führt dabei eher zu höheren Temperaturen. Diese sind bei einer weiten Verteilung auf einer großen Fläche (eines größer dimensionierten Brennerkörpers) zwar niedriger, aber mit dem Nachteil, dass das Volumen des Brenngas-Luft- Gemisches im Innenraum des Brennerkörpers deutlich größer wird, was zu einem größeren Detonationspotential bei einem Flammenrückschlag und einem trägeren Verhalten beim Druckaufbau beim Brennerstart führt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen und insbesondere einen Brenner zu schaffen und so in einem Verbrennungsraum anzuordnen, dass zusätzliche Möglichkeiten der Kühlung des Brennerkörpers und seines Umfeldes genutzt werden können.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Brenner gemäß dem unabhängigen Anspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung und eine entsprechende Anordnung solcher Brenner sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, veranschaulicht die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.
  • Hierzu trägt ein Brenner für ein Heizgerät bei mit einem Brennerkörper, der eine Innenoberfläche hin zu einem Innenraum und eine Außenoberfläche hin zu einem Verbrennungsraum aufweist, mit einer Vielzahl von Löchern, durch die ein Brenngas-Luft-Gemisch aus dem Innenraum des Brennerkörpers in den Verbrennungsraum strömen kann, wobei der Brennerkörper an der Innenoberfläche und/oder der Außenoberfläche Strukturen zum Transport von Wärme und/oder zur Abschirmung von Wärme aufweist. Ein Brennerkörper wird von außen hauptsächlich durch Strahlung (und manchmal Konvektion) aufgeheizt, während in seinem Innenraum relativ kaltes Brenngas-Luft-Gemisch strömt. Ein wichtiger Aspekt des vorliegenden Konzeptes ist es, das Brenngas-Luft-Gemisch stärker zur Kühlung des Brennerkörpers zu nutzen als bei Brennern nach dem Stand der Technik. Dazu ist der Brennerkörper mit Strukturen versehen, die Wärme ableiten können. Das Konzept ist auch nützlich bei nach außen gerichteten, hervorstehenden Strukturen, mit denen eine gewünschte Ableitung von Wärme und/oder eine Abschirmung von Bauteilen erreicht werden können. Statt sehr einfach geformter Brennerkörper werden hier etwas komplexer aufgebaute Körper verwendet, wodurch aber einige der oben beschriebenen Probleme gelöst werden können. Bevorzugt ist eine Vielzahl derartiger lokaler Strukturen auf der Fläche des Brennerkörpers vorgesehen, wobei diese ggf. ein übergeordnetes Muster und/oder eine regelmäßige Verteilung aufweist.
  • Bevorzugt ragen die Strukturen in den Innenraum des Brennerkörpers und sind ausgelegt, Wärme von dem Brennerkörper zu dem in dem Innenraum strömenden Brenngas-Luft-Gemisch zu transportieren. Die auf das Gemisch übertragene Wärme ist nicht verloren, sondern gelangt in den Verbrennungsraum und kann dort zusammen mit bei der Verbrennung entstehender Wärme genutzt werden. Trotzdem bleibt die Brennertemperatur niedriger als nach dem Stand der Technik.
  • Insbesondere vergrößern die Strukturen eine Innenoberfläche des Brennerkörpers, die mit dem Brenngas-Luft-Gemisch in wärmeübertragendem Kontakt ist.
  • Gemäß besonderen Ausführungsformen sind die Strukturen, dom-, rippen-, lamellen-, tannenbaum- und/oder antennenförmig. Jede Form, die zu einer größeren Wärmeübertragung auf das Brennstoff-Luft-Gemisch führt, ist vorteilhaft, so dass eine fertigungstechnisch geeignete und kostengünstige Lösung je nach Anforderungen gewählt werden kann. Die Anordnung der Löcher (Lochbild) im Brennerkörper sollte dann so sein, dass die Strukturen das Ausströmen des Gemisches nicht behindern, die Umgebung der Löcher aber gut gekühlt wird. Dies kann durch geprägte oder angeformte Strukturen oder durch anderweitig angebrachte Strukturen erreicht werden.
  • Insbesondere wenn durch die bisher beschriebenen Maßnahmen eine gute Kühlung sichergestellt ist, aber auch unabhängig davon, ist es nützlich, durch Strukturen die Außenoberfläche den Brennerkörpers zu vergrößern, und zwar in stirnseitigen Bereichen des Brennerkörpers. Ein Brenner ist typischerweise an einer Brennertür eines Verbrennungsraumes befestigt, die durch Flammen und deren Wärmestrahlung und Konvektion beim Betrieb des Heizgerätes aufgeheizt wird, so dass dort Wärme abgeführt werden muss, die im Wesentlichen verloren geht. Vom Brennerkörper ausgehende Strukturen können einen Teil dieser Wärme abfangen und ableiten, was diese Verluste verringert. Das gleiche gilt auch für die gegenüberliegende Stirnseite des Brennerkörpers, wo Verluste an ein Gehäuse auftreten können.
  • Besonders günstig ist es daher, wenn die Strukturen scheibenförmig sind und etwa senkrecht zu einer Längsachse des Brennerkörpers verlaufen. Solche Scheiben schirmen nicht von Wärmetauscherflächen geschützte Bereiche des Gehäuses ab und verringern damit die Verluste des Heizgerätes. Besonders günstig kann dies im Zusammenwirken mit weiteren Strukturen erreicht werden, wie im Folgenden noch beschrieben wird.
  • Zur Lösung der Aufgabe dient auch eine Anordnung eines Brenners wie bisher beschrieben, wobei der Brenner in seiner Dimensionierung und/oder Positionierung in einem Verbrennungsraum mit Wärmetauscher angeordnet ist, und zwar mit einem vorgegebenen Abstand zum Wärmetauscher und einer vorgegebenen Ausbrandhöhe von bei einer Verbrennung des Brenngas-Luft-Gemisches entstehenden Flammen.
  • Hierbei wird insbesondere eine Anordnung gewählt, bei der der Abstand und/oder die Ausbrandhöhe anwendungsorientiert und/oder für einen effizienten Einsatz möglichst günstig ist.
  • Dies bedeutet unter anderem, dass ein Brenner in dem vorliegenden Konzept nicht mehr danach dimensioniert werden muss, wie seine zulässige Maximaltemperatur eingehalten werden kann (dadurch wird er eventuell zu groß), sondern so klein gebaut werden kann, dass in einem kompakten Heizgerät ein optimaler Abstand zu einem umgebenden Wärmetauscher eingehalten werden kann, wodurch genug Platz für bei der Verbrennung entstehende Flammen ist (genügende Ausbrandhöhe), damit diese nicht den Wärmetauscher erreichen, sondern nur die entstehenden Verbrennungsgase dort ihre Wärme abgeben.
  • Bei einer besonderen Ausführungsform verlaufen die scheibenförmigen Strukturen parallel zu weiteren scheibenförmigen Strukturen, die an einem im Verbrennungsraum angeordneten Wärmetauscher wärmeleitend befestigt sind, wobei insbesondere die scheibenförmigen Strukturen und die weiteren scheibenförmigen Strukturen sich zumindest in einem Überlappungsbereich überlappen und mit einer Spaltbreite von 0,1 bis 10 mm [Millimeter] voneinander entfernt verlaufen. So entsteht einerseits eine praktisch geschlossene Abschirmung für hinter den Scheiben liegende Teile des Gehäuses, andererseits erlaubt der Überlappungsbereich eine zusätzliche Wärmeübertragung zwischen den Scheiben (eine Art Labyrinth-Effekt). Von der wärmeren Scheibe, welches im Allgemeinen die an dem Brennerkörper befestigt sein wird, wird so Wärme auf die kältere Scheibe (die meist die an dem Wärmetauscher befestigte sein wird) übertragen. So kann sogar auch Wärme vom Brennerkörper an den Wärmeübertrager abgeleitet werden.
  • Bevorzugt sind die scheibenförmigen Strukturen ausgebildet, Wärme der Flammen um den Brennerkörper von nicht vom Wärmetauscher geschützten Bereichen eines den Verbrennungsraum umgebenden Gehäuses abzuschirmen. Dadurch verringern sich die Wärmeverluste nach außen und es kann zusätzlich Wärme vom Brennerkörper an den Wärmetauscher abgeführt werden.
  • Schematische Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:
    • Fig. 1:
    einen Brennerkörper im Längsschnitt mit domförmigen Strukturen, die in seinen Innenraum ragen,
    Fig. 2:
    einen Brennerkörper mit außen angeordneten scheibenartigen Strukturen im Längsschnitt, eingebaut in einen Verbrennungsraum mit Wärmetauscher,
    Fig. 3:
    einen Ausschnitt aus Fig. 2 mit einem Überlappungsbereich von scheibenartigen Strukturen und
    Fig. 4:
    einen Teil eines Brennerkörpers im Schnitt mit schematisch dargestellten unterschiedlichen Kühlstrukturen in seinem Innenraum.
  • Fig. 1 zeigt schematisch im Längsschnitt einen Brennerkörper 7 eines Brenners 5 für ein nicht näher dargestelltes Heizgerät 1, welches mit herkömmlichen Brennstoffen, aber insbesondere auch mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betreibbar ist. Der Brennerkörper 7 ist an einer sogenannten Brennertür (oder Brennerklappe) 6 befestigt und ragt in einen Verbrennungsraum 2 hinein. Der Brennerkörper 7 hat eine Länge L und (sofern er zylindrisch ist wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel) einen Durchmesser D und eine Längsachse 9. Eine eingangsseitige Stirnseite 10 und eine ausgangsseitige Stirnseite 11 tragen einen zylindrischen Mantel mit Löchern 12. Aus diesen Löchern 12 tritt beim Betrieb des Brenners 5 ein Brenngas-Luft-Gemisch G von einem Innenraum 8 des Brennerkörpers 7 in den Verbrennungsraum 2 und wird dort unter Bildung von Flammen 13 verbrannt. Es sei erwähnt, dass bei kleiner Auströmgeschwindigkeit (kleiner Leistung des Brenners 5) des Gemisches G die Flammen 13 kleiner, aber näher am Brennerkörper 7 sind als bei größerer Ausströmgeschwindigkeit (größerer Leistung), so dass eine Überhitzung des Brennerkörpers 7 eher bei kleiner Leistung als bei großer Leistung zu befürchten ist. Eine Außenoberfläche 15 des Brennerkörpers wird nämlich hauptsächlich durch Strahlung der Flammen 13 aufgeheizt. Um einer Überhitzung entgegenzuwirken, sind Strukturen 16, 17, 18, 19, 20 (dargestellt in Fig. 1 nur domförmige Strukturen 16) vorhanden, die von einer Innenoberfläche 14 des Brennerkörpers in den Innenraum 8 ragen und dort Wärme an das relativ kalte, dort strömende Brenngas-Luft-Gemisch G abführen können. Jede Vergrößerung der Innenoberfläche 14, die nicht die außen auftreffende Strahlungswärme vergrößert, ist dabei nützlich. Es sind unterschiedlichste Kühlstrukturen geeignet, insbesondere alle von Kühlkörpern im Stand der Technik bekannten Formen.
  • Fig. 2 zeigt ebenfalls schematisch und im Längsschnitt einen Brenner 5, eingebaut in einen Verbrennungsraum 2 mit umgebendem Wärmetauscher 4, beides umgeben von einem Gehäuse 3. In den Innenraum 8 des Brenners 5 strömt (durch einen großen Pfeil angedeutet) Brenngas-Luft-Gemisch G und gelangt durch die Löcher 12 in den Verbrennungsraum 2, wo es unter Bildung von Flammen 13 verbrennt. Die entstehenden heißen Verbrennungsgase (durch viele kleine Pfeile angedeutet) durchströmen den Wärmetauscher 4, geben dort einen großen Teil der bei der Verbrennung entstandenen Wärme ab und gelangen dann als Abgas E zu einem Auslass 26. Für die Effizienz des Heizgerätes 1 ist es wichtig, einen Abstand A zwischen Brennerkörper 7 und Wärmetauscher 4 geeignet wählen zu können, insbesondere größer als eine Ausbrandhöhe H, die die Flammen 13 bis zur vollständigen Verbrennung des Brenngas-Luft-Gemisches G benötigen. Um trotzdem kompakte Heizgeräte 1 bauen zu können, ist es hilfreich, andere (hier nicht dargestellte) Maßnahmen, nämlich Kühlstrukturen 16, 17, 18, 19, 20, zur Begrenzung der Temperatur des Brennerkörpers 7 einsetzen zu können als nur die Vergrößerung der Länge L und/oder des Durchmessers D. Bei einem kompakten Aufbau ergibt sich aber noch ein anderes Problem, nämlich die Aufheizung von nicht durch den Wärmetauscher 4 geschützten Bereichen 25 des Gehäuses 3. Insbesondere handelt es sich dabei um die Brennertür 6 und eine dieser gegenüberliegende Seite des Gehäuses 3 (beide schraffiert dargestellt). Insbesondere wenn der Brennerkörper 7 durch zusätzliche Maßnahmen gekühlt wird, aber auch unabhängig davon, können scheibenartige Strukturen 21 außen am Brennerkörper 7 hier Abhilfe schaffen, insbesondere in Verbindung mit weiteren scheibenartigen Strukturen 22, die am Wärmetauscher 4 befestigt sind. Solche scheibenartigen Strukturen 21, 22 bewirken einzeln und besonders im Zusammenwirken eine Abschirmung der nicht geschützten Bereiche 25. Dazu sind die scheibenartigen Strukturen 21 in stirnseitigen Bereichen 24 des Brennerkörpers 7 im Wesentlichen senkrecht zur Brennerachse 9 außen am Brennerkörper 7 angebracht. Parallel dazu verlaufen am Wärmetauscher 4 angebrachte weitere scheibenartige Strukturen 22, und zwar mit einem kleinen Spalt von beispielsweise 0,1 bis 10 mm Spaltbreite S in einem Überlappungsbereich 23 (auch eine Berührung der Scheiben schadet nicht, solange sie sich bei Wärmedehnungen frei gegeneinander verschieben können). Wenn die Spaltbreite S so klein ist, strömt dort kaum Gas, so dass Wärme von der heißeren Scheibe auf die kältere übertragen wird durch Strahlung und Wärmeleitung. Welche der beiden Scheiben jeweils weiter außen liegen sollte, hängt von der jeweiligen Konstruktion ab. Jedenfalls schirmen die scheibenartige Struktur 21 und die weitere scheibenartige Struktur 22 nicht nur die vom Wärmetauscher 4 nicht geschützten Bereiche 25 ab, sondern übertragen je nach den Verhältnissen auch noch Wärme vom Brennerkörper 7 zum Wärmetauscher 4. Die Verluste nach außen werden jedenfalls kleiner. Die genaue Konstellation im Überlappungsbereich 23 ist in Fig. 3 im Detail dargestellt.
  • Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 2, nämlich die Umgebung des Überlappungsbereiches 23 der scheibenartigen Struktur 21 und der weiteren scheibenartigen Struktur 22. Diese Strukturen 21, 22 dürfen, da sie auch Wärme leiten sollen ein Dicke von z. B. 1 bis 3 mm haben. Tatsächlich wirkt der Überlappungsbereich 23 bei einer geringen Spaltbreite S ähnlich wie ein direkter Kontakt (je kleiner die Spaltbreite S, desto ähnlicher). Es gelangt keine Strahlung hindurch und kaum Gas, aber es wird Wärme von der wärmeren auf die kältere Struktur 21, 22 übertragen.
  • In Fig. 4 sind schematisch verschiedene Möglichkeiten für Kühlstrukturen 16, 17, 18, 19, 20 im Innenraum 8 des Brennerkörpers 7 dargestellt, und zwar in einem Schnitt durch einen Teil des Brennerkörpers 7 mit Löchern 12. Am einfachsten zu verwirklichen ist eine domförmige Struktur 16, die z. B. (zwischen den Löchern 12) geprägt sein kann und daher einfach herzustellen ist. Solche Dome oder kuppelartigen Stellen bewirken eine größere Oberfläche und damit Wärmeabfuhr. Auch jede Art und Größe von rippenförmigen Strukturen 17 hat diesen Effekt, der sich bei tannenbaumförmigen Strukturen 19 oder antennenförmigen Strukturen 20 noch verstärkt. Auch lamellenförmige Strukturen 18 können zur Kühlung beitragen.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, an verschiedene Brenngase, insbesondere auch an Wasserstoff, anpassbare Brenner für kompakte Heizgeräte zu bauen und eine Überhitzung und Flammenrückschläge weitgehend zu vermeiden sowie Wärmeverluste nach außen zu vermindern.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Heizgerät
    2
    Verbrennungsraum
    3
    Gehäuse
    4
    Wärmetauscher
    5
    Brenner
    6
    Brennertür
    7
    Brennerkörper
    8
    Innenraum
    9
    Längsachse des Brennerkörpers
    10
    Eingangsseitige Stirnseite
    11
    Ausgangsseitige Stirnseite
    12
    Löcher
    13
    Flammen
    14
    Innenoberfläche
    15
    Außenoberfläche
    16
    Domförmige Strukturen
    17
    Rippenförmige Strukturen
    18
    Lamellenförmige Strukturen
    19
    Tannenbaumförmige Strukturen
    20
    Antennenförmige Strukturen
    21
    Scheibenartige Strukturen
    22
    Weitere scheibenartige Strukturen
    23
    Überlappungsbereich
    24
    Stirnseitiger Bereich
    25
    Nicht vom Wärmetauscher geschützter Bereich
    26
    Auslass
    A
    Abstand (Brennerkörper zu Wärmetauscher)
    E
    Abgas
    G
    Gemisch (Brenngas-Luft)
    H
    Ausbrandhöhe
    L
    axiale Länge (des Brennerkörpers)
    D
    Durchmesser (des Brennerkörpers)
    S
    Spaltbreite

Claims (10)

  1. Brenner (5) für ein Heizgerät (1) mit einem Brennerkörper (7), der eine Innenoberfläche (14) hin zu einem Innenraum (8) und eine Außenoberfläche (15) hin zu einem Verbrennungsraum (2) aufweist, mit einer Vielzahl von Löchern (12), durch die ein Brenngas-Luft-Gemisch (G) aus dem Innenraum (8) des Brennerkörpers (7) in den Verbrennungsraum (2) strömen kann, wobei der Brennerkörper (7) zumindest an der Innenoberfläche (14) oder der Außenoberfläche (15) Strukturen (16 bis 21) zumindest zum Transport oder zur Abschirmung von Wärme aufweist.
  2. Brenner (5) nach Anspruch 1, wobei die Strukturen (16 bis 20) in den Innenraum (8) des Brennerkörpers (7) ragen und ausgelegt sind, Wärme von dem Brennerkörper (7) zu dem in dem Innenraum (8) strömenden Brenngas-Luft-Gemisch zu transportieren.
  3. Brenner (5) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strukturen (16 bis 20) die Innenoberfläche (14) des Brennerkörpers (7), die mit dem Brenngas-Luft-Gemisch (G) in wärmeübertragendem Kontakt ist, vergrößern.
  4. Brenner (5) nach Anspruch 3, wobei die Strukturen domförmig (16), rippenförmig (17), lamellenförmig (18), tannenbaumförmig (19) und/oder antennenförmig (20) sind.
  5. Brenner (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strukturen (21) die Außenoberfläche (15) des Brennerkörpers (7) vergrößern, und zwar in stirnseitigen Bereichen (24) des Brennerkörpers (7).
  6. Brenner (5) nach Anspruch 5, wobei die Strukturen (21) scheibenförmig sind und etwa senkrecht zu einer Längsachse (9) des Brennerkörpers (7) verlaufen.
  7. Anordnung eines Brenners (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Brenner (5) in seiner Dimensionierung (L, D) und/oder Positionierung in einem Verbrennungsraum (2) mit Wärmetauscher (4) angeordnet ist, und zwar mit einem vorgegebenen Abstand (A) zum Wärmetauscher (4) und einer vorgegebenen Ausbrandhöhe (H) von bei einer Verbrennung des Brenngas-Luft-Gemisches (G) entstehenden Flammen (13).
  8. Anordnung eines Brenners nach Anspruch 6, wobei die scheibenförmigen Strukturen (21) parallel zu weiteren scheibenförmigen Strukturen (22) verlaufen, die an einem im Verbrennungsraum (2) angeordneten Wärmetauscher (4) wärmeleitend befestigt sind.
  9. Anordnung nach Anspruch 8, wobei die scheibenförmigen Strukturen (21) und die weiteren scheibenförmigen Strukturen (22) sich zumindest in einem Überlappungsbereich (23) überlappen und zwischen ihnen eine Spaltbreite (S) von 0,1 bis 10 mm vorhanden ist.
  10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die scheibenförmigen Strukturen (21) und weiteren scheibenförmigen Strukturen (22) ausgebildet sind, Wärme von Flammen (13) um den Brennerkörper (7) von nicht vom Wärmetauscher (4) geschützten Bereichen (25) eines den Verbrennungsraum (2) umgebenden Gehäuses (3) abzuschirmen.
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