EP4047270A1 - Verfahren und anordnung zur vermeidung eines flammenrückschlages in einen vormisch-brenner - Google Patents

Verfahren und anordnung zur vermeidung eines flammenrückschlages in einen vormisch-brenner Download PDF

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EP4047270A1
EP4047270A1 EP22156289.5A EP22156289A EP4047270A1 EP 4047270 A1 EP4047270 A1 EP 4047270A1 EP 22156289 A EP22156289 A EP 22156289A EP 4047270 A1 EP4047270 A1 EP 4047270A1
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temperature
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air
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EP22156289.5A
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Andreas Reinert
Klaus Richter
Bodo Oerder
Matthias Hopf
Jochen Grabe
Ulrich Demandewicz
Michael Paul
Thomas Badenhop
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Vaillant GmbH
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Vaillant GmbH
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    • F23N2231/28Fail safe preventing flash-back or blow-back

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for preventing a flashback in a burner that is operated with a mixture of fuel gas and air (premix burner).
  • a burner body made of perforated sheet metal, which encloses or encloses an interior space, and can be designed as so-called flat or cylindrical burners.
  • Round holes are mostly used, but oblong slits and other shapes of the holes are also possible.
  • the dimensioning of the holes and their number/area unit and arrangement has an influence on the flame stability during combustion in a combustion chamber and on combustion hygiene (completeness of combustion and production of pollutants).
  • the object of the present invention is to at least partially solve the problems mentioned with reference to the prior art and, in particular, to observe a physical variable in a heating device operated with a fuel gas-air mixture, which allows this impending event to be detected even before a flashback occurs possible so that countermeasures can be taken in good time.
  • a method and an arrangement are to be created for recognizing and avoiding an impending flashback, the arrangement being simple and suitable for everyday operation of a heating device.
  • a method contributes to avoiding a flashback of a flame in an interior of a burner body of a burner in a heater, which is equipped with a A mixture of fuel gas and air is operated, with a temperature of the burner body being measured, with measures being taken to reduce the temperature of the burner body if the measured temperature exceeds a predetermined threshold value and/or if the measured temperature rises per unit of time.
  • the burner body is formed from or with at least one perforated metal sheet.
  • the invention is based on the finding that flashback on an inner surface of a burner body, which leads to a flashback, can only take place there once a certain critical temperature has been reached. Therefore, by observing the temperature of the torch body, it can be recognized when it is approaching the critical temperature. So e.g. B. when a predetermined threshold value of the temperature is exceeded or of the temporal derivation of measures to reduce the temperature are taken.
  • the temperature of the burner body is preferably measured by a temperature sensor in the interior of the burner body. Since a cold fuel gas-air mixture flows from the interior of the burner body into a combustion space in which combustion takes place with the formation of flames, the burner body is colder on the inside than on the outside. Since a flashback essentially depends on the temperature on the inside of the burner body, measuring the temperature in the interior, in particular near or on an inner surface of the burner body, makes sense.
  • Also contributing to the solution of the task is an arrangement for preventing a flame from flashing back into an interior space of a burner body of a burner in a heating device which can be operated with a mixture of fuel gas and air, with at least one Temperature sensor is present, which is connected to a control and regulation unit, which is set up to initiate measures to reduce the temperature of the burner body when a threshold value of the measured temperature and / or the increase in the measured temperature per unit time is exceeded.
  • the burner body is formed from or with at least one perforated metal sheet.
  • the perforated metal sheet (at least in the circumferential direction) encloses (directly) or delimits the interior space therein.
  • the arrangement is suitable for heaters that are operated with pure hydrogen or a fuel gas with a hydrogen content of more than 50%, in particular more than 97%, in which special measures to avoid flashbacks are particularly important.
  • the temperature sensor is preferably connected to the evaluation unit via a measuring line, which is led out of the interior of the burner through a passage on the blower side. In this way, the measuring line does not have to be routed through the combustion chamber and runs in cooler areas.
  • a further aspect also relates to a computer program product comprising instructions which cause the arrangement described to carry out the method described.
  • the evaluation of the measured data and their further use in the heater require a program and data for controlling the heater, both of which have to be updated from time to time.
  • the explanations for the method can be used for a more detailed characterization of the arrangement, and vice versa.
  • the arrangement can also be set up in such a way that the method is carried out with it.
  • FIG. 1 shows schematically a heater 1, which can be operated in particular with hydrogen or a hydrogen-containing fuel gas.
  • Air is conveyed to a burner 4 via an air supply 2 by means of a blower 3 .
  • Combustion gas is added to the air via a combustion gas supply 5 , a combustion gas valve 6 and a mixing element 7 .
  • the resulting combustible gas-air mixture passes from an interior 11 of the burner 4 through holes (not shown) in the burner body 10 formed from perforated sheet metal into a combustion chamber 14 where the mixture is burned with the formation of flames 18 .
  • Combustion gases (exhaust gases) produced are discharged into the environment via an exhaust system 15 .
  • a control and regulation unit 8 controls or regulates the entire heating device 1 and is in particular connected to the blower 3 and the fuel gas valve 6 via control lines 9 .
  • the heat generated during combustion is transferred from the flames 18 (mainly by radiation, but possibly also by convection or turbulence and heat conduction) to the burner body 10, so that its temperature and/or its time derivative (i.e. the change in temperature per unit time ) can rise above a predeterminable threshold value during operation, which indicates an imminent flashback. This can occur in particular with low power or low volume flow of fuel/air mixture when the flames 18 are burning close to the burner body 10 .
  • the temperature in the interior 11, in particular on an inner surface 17 of the burner body 10 by means a temperature sensor 12 is measured.
  • the measured values are transmitted via a measuring line 13, which is preferably routed through a bushing 16 on the blower side to the control and regulation unit 8, with the control and regulation unit 8 recognizing when the temperature exceeds a definable threshold value (or rises faster than a corresponds to a predetermined threshold) and initiates measures to reduce the temperature of the burner body 10. To do this, it can switch off the burner 4 (i.e. at least close the fuel gas valve 6) or increase the volume flow of fuel-air mixture, which can be done by increasing the volume flow of air or air and fuel gas (then maintaining the ratio of air and fuel gas). can be done.
  • the combustible gas/air mixture can also be changed in the sense that the volume flow of combustible gas is reduced, which lowers the combustion temperature. Apart from switching off, every measure allows continued operation of the heater 1 without or with a reduced risk of a flashback.
  • the present invention allows threatening flashbacks to be detected and avoided at an early stage with simple and robust instrumentation in a burner 4 of a heating device 1 .

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Vermeidung eines Rückschlages einer Flamme (18) in einen Innenraum (11) eines aus gelochtem Blech gebildeten Brennerkörpers (10) eines Brenners (4) in einem Heizgerät (1), welches mit einem Gemisch aus Brenngas und Luft betrieben wird, wobei eine Temperatur des Brennerkörpers (10) gemessen wird, wobei bei Überschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes der gemessenen Temperatur und/oder des Anstieges der gemessenen Temperatur pro Zeiteinheit Maßnahmen zur Reduzierung der Temperatur des Brennerkörpers (10) eingeleitet werden, wobei die Maßnahmen insbesondere einen der folgenden Schritte beinhalten: Erhöhung einer Zufuhr an Luft unter Beibehaltung der übrigen Betriebsparameter, Reduzierung einer Zufuhr an Brenngas unter Beibehaltung der übrigen Betriebsparameter, Erhöhung einer Zufuhr an Luft und Brenngas oder Abschalten des Brenners (4). Die vorliegende Erfindung erlaubt es, mit einer einfachen und robusten Instrumentierung in einem Brenner (4) eines Heizgerätes (1), insbesondere eines mit Wasserstoff betreibbaren Brenners (4), frühzeitig drohende Flammenrückschläge zu erkennen und zu vermeiden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Vermeidung eines Flammenrückschlages in einen Brenner, der mit einem Gemisch aus einem Brenngas und Luft betrieben wird (Vormisch-Brenner). Solche Brenner haben häufig einen Brennerkörper aus gelochtem Blech, welches einen Innenraum ein- bzw. umschließt, und können als sogenannte Flach- oder Zylinderbrenner ausgeführt werden. Meist werden runde Löcher verwendet, aber auch längliche Schlitze und andere Formen der Löcher sind möglich. Die Dimensionierung der Löcher sowie deren Anzahl/Flächeneinheit und Anordnung hat Einfluss auf die Flammenstabilität bei einer Verbrennung in einem Verbrennungsraum sowie auf die Verbrennungshygiene (Vollständigkeit der Verbrennung und Produktion von Schadstoffen). Je nach Eigenschaften eines eingesetzten Brenngases kann es bei gegebenem Brenner dazu kommen, dass die Flamme nicht auf oder kurz oberhalb einer Brenneroberfläche brennt, sondern in das Lochblech hineinwandert und sich das in dem Innenraum eingeschlossene Brenngas-Luftgemisch bereits ungewollt auf der Innenseite des Lochbleches entzündet. Dies kann bei häufigem Auftreten zu thermischer Überlastung von Bauteilen im Brenner und/oder in einem vorgelagerten Gemischweg führen. Die Gefahr eines solchen Rückzündens ist dann besonders groß, wenn die Flammengeschwindigkeit des Brenngas-Luftgemisches höher ist als die Ausström-Geschwindigkeit an den Brennerlöchern/-schlitzen. Dies ist speziell beim Einsatz von reinem Wasserstoff als Brenngas oder Brenngas mit einem hohen Wasserstoffanteil von über 50% der Fall. In der Regel startet eine Rückzündung nur an einem oder wenigen Löchern/Schlitzen. An welcher Stelle genau kann man nicht voraussagen, da dies von Strömungs-Turbulenzen, thermischen Schwankungen und anderen äußeren Einflüssen abhängen kann.
  • Bisher gibt es in Heizgeräten keine systematische Detektion von irgendeiner physikalischen Größe, die rechtzeitig vor einem Flammenrückschlag warnen könnte. Es gibt eher die Bemühung, durch geeignete Wahl von Betriebsparametern (die die Ausström-Geschwindigkeit größer als die Flammengeschwindigkeit halten) und geeignete Dimensionierung der Löcher die Wahrscheinlichkeit eines Flammenrückschlages zu senken.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik genannten Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere in einem mit einem Brenngas-Luft-Gemisch betriebenen Heizgerät eine physikalische Größe zu beobachten, die schon vor einem Flammenrückschlag eine Erkennung dieses drohenden Ereignisses ermöglicht, so dass rechtzeitig Gegenmaßnahmen getroffen werden können. Insbesondere sollen ein Verfahren und eine Anordnung geschaffen werden zum Erkennen und Vermeiden eines bevorstehenden Flammenrückschlages, wobei die Anordnung einfach und geeignet für einen Alltagsbetrieb eines Heizgerätes sein soll.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren und eine Anordnung sowie ein Computerprogrammprodukt 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.
  • Hierzu trägt ein Verfahren bei zur Vermeidung eines Rückschlages einer Flamme in einen Innenraum eines Brennerkörpers eines Brenners in einem Heizgerät, welches mit einem Gemisch aus Brenngas und Luft betrieben wird, wobei eine Temperatur des Brennerkörpers gemessen wird, wobei bei Überschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes der gemessenen Temperatur und/oder eines Anstieges der gemessenen Temperatur pro Zeiteinheit Maßnahmen zur Reduzierung der Temperatur des Brennerkörpers eingeleitet werden. Der Brennerkörper ist aus bzw. mit mindestens einem gelochten Blech gebildet.
  • Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass eine Rückzündung an einer Innenoberfläche eines Brennerkörpers, die zu einem Flammenrückschlag führt, erst ab Erreichen einer bestimmten kritischen Temperatur dort erfolgen kann. Beobachtet man daher die Temperatur des Brennerkörpers, so kann erkannt werden, wann dieser sich der kritischen Temperatur nähert. So können z. B. bei Überschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes der Temperatur oder von deren zeitlicher Ableitung Maßnahmen zur Reduzierung der Temperatur getroffen werden.
  • Insbesondere beinhalten solche Maßnahmen einen der folgenden Schritte:
    1. a. Erhöhen einer Zufuhr an Luft unter Beibehaltung der übrigen Betriebsparameter,
    2. b. Reduzieren einer Zufuhr an Brenngas unter Beibehaltung der übrigen Betriebsparameter,
    3. c. Erhöhen einer Zufuhr an Luft und Brenngas,
    4. d. Abschalten des Brenners.
  • Dabei ist es im Allgemeinen so, dass bei kleiner Leistung eines Brenners auch eine geringe Ausströmgeschwindigkeit des Brenngas-Luft-Gemisches, mit dem der Brenner betrieben wird, vorliegt. Entstehende Flammen brennen dann relativ nah am Brenner, so dass dieser heißer wird als bei größerer Ausströmgeschwindigkeit. Ein Flammenrückschlag ist also bei kleiner Leistung möglicherweise wahrscheinlicher als bei höherer Leistung. Jedenfalls aber wird die Ausströmgeschwindigkeit größer, wenn der Volumenstrom des zugeführten Gemisches erhöht wird, sei es durch Erhöhung nur des Luftstromes oder von Brenngasstrom und Luftstrom gleichzeitig. Eine Reduzierung des Brenngasstromes unter Beibehaltung des Luftstromes senkt die Verbrennungstemperatur und auch dadurch ebenfalls die Temperatur des Brennerkörpers und die Wahrscheinlichkeit eines Flammenrückschlages. Eine Abschaltung des Brenners führt natürlich auch zur Vermeidung eines Rückschlages, wobei bei einer späteren erneuten Zündung des Brenners Betriebsparameter mit höherer Ausströmgeschwindigkeit und/oder einem anderen Verhältnis von Brenngas zu Luft gewählt werden können, um eine Wiederholung eines problematischen Zustandes zu vermeiden.
  • Bevorzugt wird die Temperatur des Brennerkörpers durch einen Temperatursensor im Innenraum an dem Brennerkörper gemessen. Da kaltes Brenngas-Luft-Gemisch vom Innenraum des Brennerkörpers in einen Verbrennungsraum strömt, in dem die Verbrennung unter Bildung von Flammen stattfindet, ist der Brennerkörper an seiner Innenseite kälter als außen. Da es für einen Flammenrückschlag im Wesentlichen auf die Temperatur an der Innenseite des Brennerkörpers ankommt, ist daher eine Messung der Temperatur im Innenraum, insbesondere nahe oder an einer Innenoberfläche des Brennerkörpers, sinnvoll.
  • Zur Lösung der Aufgabe trägt auch eine Anordnung bei zur Vermeidung eines Rückschlages einer Flamme in einen Innenraum eines Brennerkörpers eines Brenners in einem Heizgerät, welches mit einem Gemisch aus Brenngas und Luft betreibbar ist, wobei in dem Innenraum des Brenners an einer Innenoberfläche des Brennerkörpers mindestens ein Temperatursensor vorhanden ist, der mit einer Steuer- und Regeleinheit verbunden ist, die eingerichtet ist, bei Überschreiten eines Schwellwertes der gemessenen Temperatur und/oder des Anstieges der gemessenen Temperatur pro Zeiteinheit Maßnahmen zur Reduzierung der Temperatur des Brennerkörpers einzuleiten.
  • Der Brennerkörper ist aus bzw. mit mindestens einem gelochten Blech gebildet. Das gelochte Blech (zumindest in Umfangsrichtung) umschließt (unmittelbar) bzw. begrenzt den Innenraum darin.
  • Insbesondere eignet sich die Anordnung für Heizgeräte, die mit reinem Wasserstoff oder einem Brenngas mit mehr als 50%, insbesondere mehr als 97% Wasserstoffanteil betrieben werden, in denen besondere Maßnahmen zur Vermeidung von Flammenrückschlägen besonders wichtig sind.
  • Bevorzugt ist der Temperatursensor über eine Messleitung mit der Auswerteeinheit verbunden, die durch eine gebläseseitige Durchführung aus dem Innenraum des Brenners geführt ist. Auf diese Weise muss die Messleitung nicht durch den Verbrennungsraum geführt werden und verläuft in kühleren Bereichen.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft auch ein Computerprogramprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass die beschriebene Anordnung das beschriebene Verfahren ausführt. Die Auswertung der gemessenen Daten und deren weitere Verwendung im Heizgerät benötigen ein Programm und Daten für die Steuerung des Heizgerätes, wobei beides gelegentlich aktualisiert werden muss.
  • Die Erläuterungen zum Verfahren können zur näheren Charakterisierung der Anordnung herangezogen werden, und umgekehrt. Die Anordnung kann auch so eingerichtet sein, dass damit das Verfahren durchgeführt wird.
  • Ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf das diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise des Verfahrens werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellt dar:
  • Fig. 1:
    schematisch ein Heizgerät mit im Brenner angeordnetem Temperatursensor zur Vermeidung von Flammenrückschlägen.
  • Fig. 1 zeigt schematisch ein Heizgerät 1, welches insbesondere mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betreibbar ist. Über eine Luftzufuhr 2 wird mittels eines Gebläses 3 Luft zu einem Brenner 4 gefördert. Der Luft wird über eine Brenngaszufuhr 5, ein Brenngasventil 6 und ein Mischelement 7 Brenngas beigemischt. Das entstehende Brenngas-Luft-Gemisch gelangt von einem Innenraum 11 des Brenners 4 durch nicht dargestellte Löcher in dessen aus gelochtem Blech gebildeten Brennerkörper 10 in einen Verbrennungsraum 14, wo das Gemisch unter Bildung von Flammen 18 verbrannt wird. Entstehende Verbrennungsgase (Abgase) werden über eine Abgasanlage 15 in die Umgebung abgeführt. Eine Steuer- und Regeleinheit 8 steuert bzw. regelt das gesamte Heizgerät 1 und steht insbesondere über Steuerleitungen 9 mit dem Gebläse 3 und dem Brenngasventil 6 in Verbindung. Die bei der Verbrennung entstehende Wärme überträgt sich von den Flammen 18 (hauptsächlich durch Strahlung, möglicherweise aber auch durch Konvektion oder Turbulenzen und Wärmeleitung) auf den Brennerkörper 10, so dass dessen Temperatur und/oder deren zeitliche Ableitung (also die Änderung der Temperatur pro Zeiteinheit) beim Betrieb über einen vorgebbaren Schwellwert ansteigen kann, was auf einen bevorstehenden Flammenrückschlag hindeutet. Dies kann insbesondere bei kleiner Leistung bzw. geringem Volumenstrom an Brennstoff-Luft-Gemisch vorkommen, wenn die Flammen 18 nah am Brennerkörper 10 brennen. Um dies feststellen zu können, wird die Temperatur im Innenraum 11, insbesondere an einer Innenoberfläche 17 des Brennerkörpers 10 mittels eines Temperatursensors 12 gemessen. Über eine Messleitung 13, die bevorzugt durch eine gebläseseitige Durchführung 16 zur Steuer- und Regeleinheit 8 geführt ist, werden die Messwerte übermittelt, wobei die Steuer- und Regeleinheit 8 erkennt, wenn die Temperatur einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet (bzw. schneller ansteigt als es einem vorgebbaren Schwellwert entspricht) und Maßnahmen zur Reduzierung der Temperatur des Brennerkörpers 10 einleitet. Dazu kann sie den Brenner 4 abschalten (also zumindest das Brenngasventil 6 schließen) oder aber den Volumenstrom an Brennstoff-Luft-Gemisch erhöhen, was durch Erhöhen des Volumenstromes an Luft oder an Luft und Brenngas (dann unter Beibehaltung des Verhältnisses von Luft und Brenngas) erfolgen kann. Alternativ kann auch das Brenngas-Luft-Gemisch geändert werden in dem Sinne, dass der Volumenstrom an Brenngas gesenkt wird, was die Verbrennungstemperatur senkt. Außer dem Abschalten erlaubt jede Maßnahme einen Weiterbetrieb des Heizgerätes 1 ohne oder mit verringertem Risiko eines Flammenrückschlages.
  • Die vorliegende Erfindung erlaubt es, mit einer einfachen und robusten Instrumentierung in einem Brenner 4 eines Heizgerätes 1 frühzeitig drohende Flammenrückschläge zu erkennen und zu vermeiden.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Heizgerät
    2
    Luftzufuhr
    3
    Gebläse
    4
    Brenner
    5
    Brenngaszufuhr
    6
    Brenngasventil
    7
    Mischelement
    8
    Steuer- und Regeleinheit
    9
    Steuerleitungen
    10
    Brennerkörper (aus gelochtem Blech)
    11
    Innenraum (des Brenners)
    12
    Temperatursensor
    13
    Messleitung
    14
    Verbrennungsraum
    15
    Abgasanlage
    16
    Gebläseseitige Durchführung
    17
    Innenoberfläche (des Brennerkörpers)
    18
    Flammen

Claims (6)

  1. Verfahren zur Vermeidung eines Rückschlages einer Flamme (18) in einen Innenraum (11) eines aus gelochtem Blech gebildeten Brennerkörpers (10) eines Brenners (4) in einem Heizgerät (1), welches mit einem Gemisch aus Brenngas und Luft betrieben wird, wobei eine Temperatur des Brennerkörpers (10) gemessen wird, wobei bei Überschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes der gemessenen Temperatur und/oder des Anstieges der gemessenen Temperatur pro Zeiteinheit Maßnahmen zur Reduzierung der Temperatur des Brennerkörpers (10) eingeleitet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Maßnahmen einen der folgenden Schritte beinhalten:
    a. Erhöhen einer Zufuhr an Luft unter Beibehaltung der übrigen Betriebsparameter,
    b. Reduzieren einer Zufuhr an Brenngas unter Beibehaltung der übrigen Betriebsparameter,
    c. Erhöhen einer Zufuhr an Luft und Brenngas,
    d. Abschalten des Brenners (4).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Temperatur des Brennerkörpers (10) durch einen Temperatursensor (12) im Innenraum (11) an dem Brennerkörper (10) gemessen wird.
  4. Anordnung zur Vermeidung eines Rückschlages einer Flamme (18) in einen Innenraum (11) eines aus gelochtem Blech gebildeten Brennerkörpers (10) eines Brenners (4) in einem Heizgerät (1), welches mit einem Gemisch aus Brenngas und Luft betreibbar ist, wobei in dem Innenraum (11) des Brenners (4) an einer Innenoberfläche (17) des Brennerkörpers (10) mindestens ein Temperatursensor (12) vorhanden ist, der mit einer Steuer- und Regeleinheit (8) verbunden ist, die eingerichtet ist, bei Überschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes der gemessenen Temperatur und/oder des Anstieges der gemessenen Temperatur pro Zeiteinheit Maßnahmen zur Reduzierung der Temperatur des Brennerkörpers (10) einzuleiten.
  5. Anordnung nach Anspruch 4, wobei der Temperatursensor (12) über eine Messleitung (13) mit der Auswerteeinheit verbunden ist, die durch eine gebläseseitige Durchführung (16) aus dem Innenraum (11) des Brennerkörpers (10) geführt ist.
  6. Computerprogramprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass die Anordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5 das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausführt.
EP22156289.5A 2021-02-19 2022-02-11 Verfahren und anordnung zur vermeidung eines flammenrückschlages in einen vormisch-brenner Withdrawn EP4047270A1 (de)

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