EP4063733A1 - Anordnung zur verminderung der folgen eines flammenrückschlages in einen vormisch-brenner eines heizgerätes - Google Patents

Anordnung zur verminderung der folgen eines flammenrückschlages in einen vormisch-brenner eines heizgerätes Download PDF

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EP4063733A1
EP4063733A1 EP22159988.9A EP22159988A EP4063733A1 EP 4063733 A1 EP4063733 A1 EP 4063733A1 EP 22159988 A EP22159988 A EP 22159988A EP 4063733 A1 EP4063733 A1 EP 4063733A1
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EP
European Patent Office
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branch
fan
mixture
arrangement according
burner body
Prior art date
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EP22159988.9A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP4063733C0 (de
EP4063733B1 (de
Inventor
Michael Paul
Klaus Richter
Jochen Grabe
Ulrich Demandewicz
Matthias Hopf
Andreas Reinert
Thomas Badenhop
Bodo Oerder
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Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/24—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements
    • F23N5/247—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements using mechanical means
    • 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
    • F23D14/62—Mixing devices; Mixing tubes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2231/00—Fail safe
    • F23N2231/28—Fail safe preventing flash-back or blow-back

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for reducing the consequences of a flashback in a burner that is operated with a mixture of fuel gas and air (premix burner), in particular for a heating device.
  • 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. Burners for such purposes often have a burner body made of perforated sheet metal and can be designed as so-called flat or cylinder 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 flame does not - as desired - burn on or just above a burner surface, but migrates into the perforated plate and the fuel gas-air mixture (hereinafter also simply referred to as the mixture) already unintentionally ignited on the inside of the perforated plate.
  • the mixture the fuel gas-air mixture
  • This can, lead to thermal overloading of components in the burner and/or in an upstream mixture path, especially if they occur frequently.
  • the danger of such a backfire, also known as a flashback is particularly great when the flame speed of the respective fuel gas-air mixture is higher than the outflow speed at the burner holes/slits. This is particularly the case when using pure hydrogen as fuel gas or fuel gas with a hydrogen content of z. B. 10% or more the case.
  • the mixture path in heaters has mainly been optimized with regard to the supply of mixture to the burner in order to keep the energy required for the supply (and thus the power of the fan) low. Special constructive measures to control a flashback or to reduce its consequences were not specifically taken.
  • the object of the present invention is to at least partially solve the problems mentioned with reference to the prior art.
  • constructive measures should be taken on or in the mixture path that reduce the consequences of a flashback and thus help to avoid damage to components in the mixture path or fan.
  • No moving parts should be used in the mixture path to ensure a maintenance-free long service life.
  • An arrangement contributes to reducing the consequences of a flashback of a flame in a mixture path of a premix burner in a heater, which can be operated with a mixture of fuel gas and air, the mixture path between a burner body and a fan being designed in such a way that it has the function has a fluidic diode or is designed as a fluidic diode, specifically having different flow resistances for different flow directions and/or different flow speeds.
  • a fluidic diode is, in particular, a passive device that has a lower flow resistance in the preferred direction than in the opposite direction.
  • the fluidic diode can be formed in one or more sections of the mixture path. It is possible for one or more fluidic diodes to be formed with a different number, shape, alignment and/or dimension of flow influencing elements.
  • Such flow influencers can in the Mixture path arranged and / or executed with / on a wall of the mixture path projecting into this.
  • a flow influencing device can in particular form flow bottlenecks, dead areas, sub-channels, etc. in the mixture path. Preference is given to flow influencing devices which generate flow resistance effects of different strengths depending on the direction and/or the speed of the gas stream flowing past them.
  • the aim is to oppose as little flow resistance as possible to the flow in normal operation, but to generate a high flow resistance in the case of a flow in the opposite direction, which also has a significantly higher speed, which weakens a pressure wave and extinguishes a subsequent flame front.
  • the mixture path is preferably designed so that mixture can flow from the fan to the burner body at velocities of 0.5 to 10 m/s [meters/second] essentially unimpeded and/or only slightly affected, while a pressure wave travels in the opposite direction at velocities 500 up to 3000 m/s (velocity is in the supersonic range) essentially cannot propagate to the fan (back).
  • the fan is arranged in a fan branch of the mixture path, which is designed as a lateral branch from a main branch.
  • a fan branch of the mixture path which is designed as a lateral branch from a main branch.
  • the branching is designed in such a way that the fan branch is shielded from flows emanating from the burner body in the main branch by a shield, so that such flows are guided past the fan branch.
  • the shielding can be formed by an acute-angled corner protruding into the main branch (viewed in a longitudinal section), which can be implemented in a structurally simple manner by the branch being shaped accordingly. Viewed in three dimensions, it is a curved edge protruding into the main branch.
  • Other types of shielding e.g. B. baffles or wall projections are possible.
  • the fan branch tapers from the fan in the direction of the branch. This also means that a rapidly advancing pressure wave emanating from the burner body runs past the fan branch.
  • the main branch preferably ends at an end opposite the burner body behind the branching of the blower branch in a rounded deflection shape, which is designed to deflect a pressure wave coming from the burner body back into the main branch.
  • a pressure wave is deflected or at least swirled around so that it weakens itself and prevents the further progress of a subsequent flame front, which can even contribute to its extinction.
  • the exact design of the deflection shape in connection with the branching of the fan branch depends on the local conditions and can be determined by calculation, simulation or experimentation.
  • the main branch ends at an end opposite the burner body behind the branching of the blower branch in an outlet area which is designed to dissipate a pressure wave coming in from the burner body.
  • Even a simple wall reflects a pressure wave and weakens it. A flame front also runs against the wall, but cannot be reflected because there is hardly any combustible mixture behind it.
  • the outlet area has damping means for a pressure wave, which are preferably at the same time means for absorbing heat from a flame front.
  • damping means for a pressure wave
  • Components that divide and/or divert the flow are particularly suitable, e.g. As wire mesh, staggered perforated plates, grids or honeycombs and the like.
  • At least one direction-selective and/or at least one speed-selective flow influencing means is present in the mixture path.
  • Such means have long been known from the prior art for other purposes. They act (without the need for a main branch and a branching fan branch) in the desired manner as fluidic diodes in a mixture path of any shape.
  • a particularly simple form is, for example, a conical body whose base is curved into the interior of the cone and whose tip is directed against the flow during normal operation.
  • the measures described can ensure that combustion in the mixture path is practically always terminated after a flashback. Since then temporarily no combustible mixture (but only combustion gases) flows to the burner, the flame in the combustion chamber usually goes out, which can be detected by a flame monitor and leads to the fuel supply being switched off if the flashback has not already been detected in another way.
  • the heater 1 shows schematically parts of a heating device 1, in particular a condensing device, which can be operated in particular with hydrogen or a fuel gas containing hydrogen.
  • the heater 1 has a combustion chamber 2 with a housing 10 in which a flame 13 burns during operation, the heat from which is dissipated by a heat exchanger 12 .
  • the flame 13 is generated by a premix burner 16 which is arranged in the combustion chamber 2 and has a burner body 3 with holes 4 (or other shaped openings, e.g. slots).
  • a mixture of air and fuel gas is supplied to the burner body 3 through an inlet 11 .
  • the inlet 11 is often designed as a kind of door in the housing 10, in which the burner body 3 is fixed.
  • the mixture is guided to the burner body 3 by a fan 7 via a mixture path 5 .
  • the fan is usually attached to a fan flange 9 with a fan outlet 8 .
  • a mixture flow 14 (indicated by light arrows) results through the mixture path 5 from the blower 7 to the burner body 3.
  • the entire mixture contained in the burner body 3 ignites practically explosively and initially generates a pressure wave 15 opposing the mixture flow 14 ( indicated with dark arrows) followed by a flame front, which would run through the entire mixture path 5 without countermeasures and then that too Reach blower 7 and possibly damage it by increasing the pressure and/or temperature.
  • the mixture path 5 is specially designed with a branch 18 at which a fan branch 19 opens into a main branch 20 (an essentially straight connection between the inlet 11 and a deflection shape 24).
  • the deflection shape 24 and the branch 18 only slightly increase the flow resistance for the mixture from the blower 7 to the burner body 3, but in the event of a flashback cause a pressure wave 15 that occurs to run past the branch 18 on the blower branch 19 in the opposite direction and be deflected in the deflection shape 24 ( indicated by a corresponding dark arrow) and thereby weakens itself.
  • the fan branch 19 opens out at an angle, so that an acute angle is formed, the corner or edge of which protruding into the mixture path 5 acts as a shield 6 .
  • a narrowing of the fan branch 19 in the direction of the branch 18 supports the desired effect.
  • the deflection shape 24 can have an approximately spherical shape or a spherical surface at least in some areas.
  • FIG. 2 shows another embodiment in which instead of the deflection form 24 an outlet area 17 is provided.
  • the remaining parts are analogous to 1 carried out and provided with reference numerals.
  • the outlet area 17 also has the effect of dissipating a pressure wave 15 that has passed the branching, so that it cannot cause any damage in the fan branch 19 or fan 7 . In many cases, a subsequent flame front is extinguished without igniting the fan branch 19 .
  • This effect is supported if in the outlet area 17 damping means 21, z.
  • damping means 21, z. B. metallic grids, screens, perforated plates, honeycomb bodies or the like are present, which divide, deflect or absorb the flow of a pressure wave 15 . These also absorb heat when they are reached by a flame front and can thus cause combustion in mixture path 5 extinguish, but in any case extract a lot of heat from the gas and thus reduce possible damage.
  • figure 3 shows an embodiment without branch 18, but with a flow influencing means 22, which selectively influences flows depending on their direction and speed.
  • the chosen simple example of a cone with an inwardly curved base represents a large number of known remedies with similar effects.
  • the flow influencing means 22 has only a small effect on relatively slow flows (light arrows) which the cone tip is directed against. However, it has a very strong influence on fast flows of pressure waves 15 (dark arrows), which are stopped by the curved base and partially deflected or reflected. A pressure wave 15 can only reach the blower 7 in a very weakened manner, and a flame front may also be stopped.
  • a heat absorber 23 absorbs heat from a gas flowing past, which is why it has a large surface area, good thermal conductivity and a suitable heat capacity (but a negligible flow resistance, at least in normal operation ) should have.
  • Rods or walls parallel to the flow in the mixture path 5 are shown here, which are preferably made of metal (e.g. stainless steel). They are cold during normal operation and can extract so much heat from a flame front that combustion is extinguished. At the same time, however, they also cause a damping of rapidly propagating pressure waves 15 and therefore also protect against possible damage as a result.
  • the present invention makes it possible, with simple and robust means, to significantly reduce the consequences of a flashback and, in particular, to protect a blower 7 from it and to achieve rapid extinguishing of the flames 13 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verminderung der Folgen eines Rückschlages einer Flamme (13) in einen Gemischweg (5) eines Vormischbrenners (16) in einem Heizgerät (1), welches mit einem Gemisch aus Brenngas und Luft betreibbar ist, wobei der Gemischweg (5) zwischen einem Brennerkörper (3) und einem Gebläse (7) so gestaltet ist, dass er die Funktion einer fluidischen Diode aufweist, nämlich für unterschiedliche Strömungsrichtungen und/oder unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten unterschiedliche Strömungswiderstände aufweist. Die Erfindung erlaubt es, mit einfachen und robusten Mitteln die Folgen eines Flammenrückschlages signifikant zu mindern und insbesondere ein Gebläse (7) davor zu schützen sowie ein schnelles Erlöschen der Flammen (13) zu erreichen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verminderung der Folgen eines Flammenrückschlages in einen Brenner, der mit einem Gemisch aus einem Brenngas und Luft betrieben wird (Vormisch-Brenner), insbesondere für ein Heizgerät.
  • 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. Brenner für solche Zwecke haben häufig einen Brennerkörper aus gelochtem Blech 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 - wie gewünscht - auf oder kurz oberhalb einer Brenneroberfläche brennt, sondern in das Lochblech hineinwandert und sich das Brenngas-Luftgemisch (im Folgenden auch einfach als Gemisch bezeichnet) bereits ungewollt auf der Innenseite des Lochbleches entzündet. Dies kann, insbesondere bei häufigem Auftreten zu thermischer Überlastung von Bauteilen im Brenner und/oder in einem vorgelagerten Gemischweg führen. Die Gefahr eines solchen Rückzündens, auch Flammenrückschlag genannt, ist dann besonders groß, wenn die Flammengeschwindigkeit des jeweiligen Brenngas-Luftgemisches höher ist als die Ausström-Geschwindigkeit an den Brennerlöchern/-schlitzen. Dies ist insbesondere beim Einsatz von reinem Wasserstoff als Brenngas oder Brenngas mit einem Wasserstoffanteil von z. B. 10% oder mehr der Fall.
  • Es ist daher einerseits sinnvoll, das Risiko eines Flammenrückschlag durch geeignete Betriebsparameter zu minimieren und dennoch auftretende Flammenrückschläge schnell zu detektieren und die Brenngaszufuhr zu beenden, wozu verschiedene Sensoren und die Auswertung von deren Signalen dienen können. Andererseits hat sich bei Untersuchungen gezeigt, dass sich bei einem Flammenrückschlag das Volumen an Gemisch in dem Brennerkörper sehr schnell komplett entzündet und dann zunächst eine Druckwelle in den Gemischweg vor dem Brenner auslöst, gefolgt von einer Flammenfront, so dass sich das Gemisch im Gemischweg ebenfalls entzündet und dort umso heftiger brennt und Wärme entwickelt je größer der Wasserstoffanteil im Brenngas ist. Dies kann insbesondere bei Vormisch-Brennern, bei denen das Brenngas bereits vor einem Gebläse zugemischt wird, zu Schäden am Gebläse führen, insbesondere wenn es Teile (z. B. ein Lüfterrad) aus Kunststoff enthält, was im Allgemeinen der Fall ist.
  • Bisher wird der Gemischweg in Heizgeräten hauptsächlich in Bezug auf die Zuführung von Gemisch zum Brenner optimiert, um den Energieaufwand für die Zuführung (und damit die Leistung des Gebläses) gering zu halten. Besondere konstruktive Maßnahmen zur Beherrschung eines Flammenrückschlages oder zur Minderung von dessen Folgen wurden nicht gezielt getroffen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik genannten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere sollen konstruktive Maßnahmen am oder im Gemischweg getroffen werden, die die Folgen eines Flammenrückschlages vermindern und so Schäden an Bauteilen des Gemischweges oder Gebläses vermeiden helfen. Dabei sollen keine beweglichen Teile im Gemischweg verwendet werden, um eine wartungsfreie lange Lebensdauer zu ermöglichen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Anordnung gemäß dem unabhängigen Anspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, veranschaulicht die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.
  • Dazu trägt eine Anordnung bei zur Verminderung der Folgen eines Rückschlages einer Flamme in einen Gemischweg eines Vormischbrenners in einem Heizgerät, welches mit einem Gemisch aus Brenngas und Luft betreibbar ist, wobei der Gemischweg zwischen einem Brennerkörper und einem Gebläse so gestaltet ist, dass er die Funktion einer fluidischen Diode aufweist bzw. als fluidische Diode ausgeführt ist, nämlich für unterschiedliche Strömungsrichtungen und/oder unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten unterschiedliche Strömungswiderstände aufweist.
  • Bei einer fluidischen Diode handelt es sich insbesondere um eine passive Vorrichtung, die einen geringen Strömungswiderstand in der Vorzugsrichtung als in der Gegenrichtung aufweist. Die fluidische Diode kann in einem oder mehreren Teilabschnitten des Gemischweges ausgebildet sein. Es ist möglich, dass eine oder mehrere fluidische Dioden mit einer unterschiedlichen Anzahl, Form, Ausrichtung und/oder Dimension von Strömungsbeeinflussern ausgebildet ist. Solche Strömungsbeeinflusser können in dem Gemischweg angeordnet und/oder mit/an einer Wand des Gemischweges in diesen hineinragend ausgeführt sein. Ein Strömungsbeeinflusser kann insbesondere Strömungsengpässe, Totgebiete, Teilkanäle, etc. in dem Gemischweg ausbilden. Bevorzugt sind Strömungsbeeinflusser, die in Abhängigkeit der Richtung und/oder der Geschwindigkeit des daran vorbeiströmenden Gasstroms unterschiedlich starke Strömungswiderstandseffekte erzeugen. Dabei ist das Ziel, der Strömung im Normalbetreib möglichst wenig Strömungswiderstand entgegenzusetzen, jedoch bei einer Strömung in Gegenrichtung, die zudem eine erheblich höhere Geschwindigkeit aufweist, einen hohen Strömungswiderstand zu erzeugen, der eine Druckwelle schwächt und eine nachfolgende Flammenfront erlöschen lässt.
  • Der Gemischweg ist bevorzugt so ausgelegt, dass Gemisch vom Gebläse zum Brennerkörper mit Geschwindigkeiten von 0,5 bis 10 m/s [Meter/Sekunde] im Wesentlichen hindernisfrei und/oder nur geringfügig beeinflusst strömen kann, während sich eine Druckwelle in Gegenrichtung mit Geschwindigkeiten über 500 bis zu 3000 m/s (Geschwindigkeit liegt im Überschallbereich) im Wesentlichen nicht bis zum Gebläse (zurück) fortpflanzen kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gebläse in einem Gebläsezweig des Gemischweges angeordnet, der als seitliche Verzweigung von einem Hauptzweig ausgebildet ist. Eine solche Verzweigung bzw. abrupte Umlenkung stellt für eine relativ langsame Strömung vom Geläse zum Brennerkörper kein besonderes Hindernis dar, eine Druckwelle strömt jedoch eher an der Verzweigung vorbei und pflanzt sich weiter im Hauptzweig fort.
  • Insbesondere ist die Verzweigung so gestaltet, dass der Gebläsezweig gegenüber vom Brennerkörper ausgehenden Strömungen im Hauptzweig durch eine Abschirmung abgeschirmt ist, so dass solche Strömungen am Gebläsezweig vorbei geleitet werden.
  • Dabei kann die Abschirmung durch eine in den Hauptzweig ragende spitzwinkelige Ecke (in einem Längsschnitt betrachtet) gebildet sein, was sich konstruktiv einfach verwirklichen lässt, indem die Verzweigung entsprechend geformt ist. Dreidimensional betrachtet handelt es sich um eine gekrümmte in den Hauptzweig vorstehende Kante. Andere Arten von Abschirmungen, z. B. Leitbleche oder Wandvorsprünge sind möglich.
  • Alternativ oder zur Unterstützung des gewünschten Effektes verjüngt sich der Gebläsezweig vom Gebläse in Richtung Verzweigung. Auch dies führt dazu, dass eine schnell fortschreitende vom Brennerkörper ausgehende Druckwelle am Gebläsezweig vorbei läuft.
  • Der Hauptzweig endet bevorzugt an einem dem Brennerkörper gegenüberliegenden Ende hinter der Verzweigung des Gebläsezweiges in einer gerundeten Umlenkform, die gestaltet ist, eine vom Brennerkörper her einlaufende Druckwelle in den Hauptzweig zurückzulenken. Hier wird eine Druckwelle umgelenkt oder zumindest verwirbelt, so dass sie sich selbst abschwächt und eine nachfolgende Flammenfront beim weiteren Fortschreiten behindert, was sogar zu deren Erlöschen beitragen kann. Die genaue Gestaltung der Umlenkform in Verbindung mit der Verzweigung des Gebläsezweiges hängt von den örtlichen Gegebenheiten ab und kann rechnerisch, durch Simulationen oder experimentell bestimmt werden.
  • Alternativ endet der Hauptzweig an einem dem Brennerkörper gegenüberliegenden Ende hinter der Verzweigung des Gebläsezweiges in einem Auslaufbereich, der gestaltet ist, eine vom Brennerkörper her einlaufende Druckwelle abzubauen. Schon eine einfache Wand reflektiert eine Druckwelle und schwächt sie dadurch. Auch eine Flammenfront läuft gegen die Wand, kann aber nicht reflektiert werden, da hinter ihr kaum noch brennbares Gemisch vorhanden ist.
  • Insbesondere weist der Auslaufbereich ein Dämpfungsmittel für eine Druckwelle auf, das bevorzugt gleichzeitig Mittel zur Aufnahme von Wärme aus einer Flammenfront sind. Jede Art von feuerfesten Einbauten, insbesondere aus Metall, eignet sich als Dämpfungsmittel. Besonders Bauteile, die die Strömung teilen und/oder umlenken, sind geeignet, z. B. Drahtnetze, versetzte Lochbleche, Gitter oder Wabenkörper und dergleichen.
  • Bei einer anderen Ausgestaltung ist in dem Gemischweg mindestens ein richtungsselektives und/oder mindestens ein geschwindigkeitsselektives Strömungsbeeinflussungsmittel vorhanden. Solche Mittel sind aus dem Stand der Technik für andere Zwecke seit langem bekannt. Sie wirken (ohne dass es eines Hauptzweiges und eines abzweigenden Gebläsezweiges bedarf) in einem beliebig geformten Gemischweg in der gewünschten Weise als fluidische Dioden. Insbesondere durch die Art der beiden zu unterscheidenden Strömungen, nämlich relativ langsame Strömung beim Normalbetrieb und sehr schnelle Druckwellen in Gegenrichtung bei einem Flammenrückschlag, gibt es eine große Variationsbreite für fluidische Dioden. Eine besonders einfache Form ist beispielsweise ein kegelförmiger Körper, dessen Grundfläche in das Innere des Kegels gewölbt ist und der mit seiner Spitze entgegen der Strömung beim Normalbetrieb gerichtet ist. So bildet er nur einen geringen Strömungswiderstand beim Normalbetrieb, aber einen sehr großen bei einer entgegenlaufenden Druckwelle. Mindestens ein solcher Körper (viele ähnlich wirkende Anordnungen sind bekannt) im Gemischweg zwischen Gebläse und Brennerkörper verhindert, dass eine Druckwelle das Gebläse erreichen kann und bewirkt bei günstiger Gestaltung und Anordnung sogar das Erlöschen einer Flammenfront.
  • Etwas Ähnliches kann erreicht werden, wenn in dem Gemischweg ein Wärmeabsorber angeordnet ist. Einerseits wirkt ein solcher auch auf die Strömung (und zwar stärker hemmend auf schnelle Strömungen als auf langsame), andererseits entzieht er vorbeiströmendem Gas Wärme, wodurch dessen Temperatur sinkt und möglicherweise auch eine Flammenfront erlischt. Jedenfalls werden Schäden an so geschützten Bauteilen (insbesondere dem Gebläse) bei einem Flammenrückschlag vermieden.
  • Die beschriebenen Maßnahmen können erreichen, dass praktisch immer die Verbrennung im Gemischweg nach einem Flammenrückschlag beendet wird. Da dann vorübergehend kein brennbares Gemisch (sondern nur Verbrennungsgase) zum Brenner strömt, erlischt meist auch die Flamme im Verbrennungsraum, was von einem Flammenwächter festgestellt werden kann und zur Abschaltung der Brennstoffzufuhr führt, falls der Flammenrückschlag nicht schon auf andere Weise detektiert wurde.
  • Schematische Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei gleiche Teile in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es stellen dar:
    • Fig. 1:
    schematisch einen Teil eines Heizgerätes mit einer gerundeten Umlenkform in einem Hauptzweig eines Gemischweges,
    Fig. 2:
    schematisch einen Teil eines Heizgerätes mit einem Auslaufbereich in einem Hauptzweig eines Gemischweges,
    Fig. 3:
    schematisch einen Teil eines Heizgerätes mit einem Gemischweg mit eingebautem selektivem Strömungsbeeinflussungsmittel und
    Fig. 4:
    schematisch einen Teil eines Heizgerätes mit einem Gemischweg mit eingebautem Wärmeabsorber.
  • Fig. 1 zeigt schematisch Teile eines Heizgerätes 1, insbesondere eines Brennwertgerätes, welches insbesondere mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betreibbar ist. Das Heizgerät 1 weist einen Verbrennungsraum 2 mit einem Gehäuse 10 auf, in dem beim Betrieb eine Flamme 13 brennt, deren Wärme von einem Wärmetauscher 12 abgeführt wird. Die Flamme 13 wird erzeugt von einem Vormischbrenner 16, der in dem Verbrennungsraum 2 angeordnet ist und einen Brennerkörper 3 mit Löchern 4 (oder anders geformten Öffnungen, z. B. Schlitzen) aufweist. Dem Brennerkörper 3 wird durch einen Einlass 11 ein Gemisch aus Luft und Brenngas zugeführt. Der Einlass 11 ist oft als eine Art Tür in dem Gehäuse 10 ausgebildet, in der der Brennerkörper 3 befestigt ist. Das Gemisch wird von einem Gebläse 7 über einen Gemischweg 5 zum Brennerkörper 3 geführt. Das Gebläse ist meist mit einem Gebläseauslass 8 an einem Gebläseflansch 9 angebracht. Bei einem störungsfreien Betrieb ergibt sich eine Gemischströmung 14 (durch helle Pfeile angedeutet) durch den Gemischweg 5 vom Gebläse 7 zum Brennerkörper 3. Bei einem Flammenrückschlag zündet praktisch explosionsartig das gesamte im Brennerkörper 3 enthaltene Gemisch und erzeugt zunächst eine der Gemischströmung 14 entgegengesetzte Druckwelle 15 (mit dunklen Pfeilen angedeutet) gefolgt von einer Flammenfront, die ohne Gegenmaßnahmen den gesamten Gemischweg 5 durchlaufen würde und dann auch das Gebläse 7 erreichen und eventuell durch Druck- und/oder Temperaturerhöhung beschädigen könnte. Um dies zu vermeiden ist der Gemischweg 5 besonders gestaltet mit einer Verzweigung 18, an der ein Gebläsezweig 19 in einen Hauptzweig 20 (eine im Wesentlichen gerade Verbindung zwischen dem Einlass 11 und einer Umlenkform 24) mündet. Die Umlenkform 24 und die Verzweigung 18 erhöhen den Strömungswiderstand für Gemisch vom Gebläse 7 zum Brennerkörper 3 nur wenig, bewirken jedoch bei einem Flammenrückschlag, dass eine entstehende Druckwelle 15 in Gegenrichtung an der Verzweigung 18 am Gebläsezweig 19 vorbeiläuft, in der Umlenkform 24 umgelenkt wird (angedeutet durch einen entsprechenden dunklen Pfeil) und sich selbst dadurch abschwächt. Dies wird noch dadurch unterstützt, dass der Gebläsezweig 19 schräg einmündet, so dass sich ein spitzer Winkel bildet, dessen in den Gemischweg 5 ragende Ecke oder Kante als Abschirmung 6 wirkt. Auch eine Verjüngung des Gebläsezweiges 19 in Richtung Verzweigung 18 unterstützt die gewünschte Wirkung. Die Umlenkform 24 kann eine annähernd kugelige Gestalt oder zumindest in Teilbereichen eine Kugeloberfläche aufweisen.
  • Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der statt der Umlenkform 24 ein Auslaufbereich 17 vorgesehen ist. Die übrigen Teile sind analog zu Fig. 1 ausgeführt und mit Bezugszeichen versehen. Auch der Auslaufbereich 17 bewirkt einen Abbau einer an der Verzweigung vorbeigelaufenen Druckwelle 15, so dass diese keine Schäden im Gebläsezweig 19 oder Gebläse 7 anrichten kann. Eine nachfolgende Flammenfront erlischt in vielen Fällen, ohne den Gebläsezweig 19 zu entzünden. Dieser Effekt wird unterstützt, wenn im Auslaufbereich 17 Dämpfungsmittel 21, z. B. metallische Gitter, Siebe, Lochbleche, Wabenkörper oder dergleichen vorhanden sind, die die Strömung einer Druckwelle 15 aufteilen, ablenken oder absorbieren. Diese nehmen auch Wärme auf, wenn sie von einer Flammenfront erreicht werden und können dadurch eine Verbrennung im Gemischweg 5 zum Erlöschen bringen, jedenfalls aber dem Gas viel Wärme entziehen und damit eventuelle Schäden mindern.
  • Fig 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel ohne Verzweigung 18, dafür aber mit einem Strömungsbeeinflussungsmittel 22, welches selektiv Strömungen je nach deren Richtung und Geschwindigkeit beeinflusst. Das gewählte einfach Beispiel eines Kegels mit nach innen gewölbter Basis steht für eine Vielzahl von bekannten Mitteln mit ähnlichen Wirkungen. Das Strömungsbeeinflussungsmittel 22 hat nur eine geringe Wirkung auf relativ langsame Strömungen (helle Pfeile), denen die Kegelspitze entgegengerichtet ist. Es beeinflusst aber sehr stark schnelle Strömungen von Druckwellen 15 (dunkle Pfeile), die von der gewölbten Basis aufgehalten und teilweise umgelenkt oder reflektiert werden. So kann eine Druckwelle 15 nur sehr geschwächt zum Gebläse 7 gelangen und auch eine Flammenfront wird möglicherweise gestoppt.
  • Fig. 4 zeigt eine der Fig. 3 ähnliche Anordnung nur mit einem Wärmeabsorber 23 im Gemischweg 5 statt oder zusätzlich zu einem Strömungsbeeinflussungsmittel 22. Ein Wärmeabsorber 23 nimmt Wärme aus einem vorbeiströmenden Gas auf, weshalb er eine große Oberfläche, eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine geeignete Wärmekapazität (aber einen vernachlässigbaren Strömungswiderstand zumindest im Normalbetrieb) haben sollte. Hier sind zur Strömung parallele Stäbe oder Wände im Gemischweg 5 dargestellt, die vorzugsweise aus Metall (z. B. Edelstahl) bestehen. Sie sind im Normalbetrieb kalt und können einer Flammenfront soviel Wärme entziehen, dass die Verbrennung erlischt. Gleichzeitig bewirken sie aber auch eine Dämpfung von sich schnell fortpflanzenden Druckwellen 15 und schützen daher auch vor dadurch möglichen Schäden.
  • Die vorliegende Erfindung erlaubt es, mit einfachen und robusten Mitteln die Folgen eines Flammenrückschlages signifikant zu mindern und insbesondere ein Gebläse 7 davor zu schützen sowie ein schnelles Erlöschen der Flammen 13 zu erreichen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Heizgerät
    2
    Verbrennungsraum
    3
    Brennerkörper
    4
    Löcher/Schlitze
    5
    Gemischweg
    6
    Abschirmung (Ecke)
    7
    Gebläse
    8
    Gebläseauslass
    9
    Gebläseflansch
    10
    Gehäuse
    11
    Einlass in den Brennerkörper
    12
    Wärmetauscher
    13
    Flamme
    14
    Gemischströmung
    15
    Druckwelle/Flammenfront
    16
    Vormischbrenner
    17
    Auslaufbereich
    18
    Verzweigung
    19
    Gebläsezweig
    20
    Hauptzweig
    21
    Dämpfungsmittel
    22
    Strömungsbeeinflussungsmittel
    23
    Wärmeabsorber
    24
    Umlenkform

Claims (11)

  1. Anordnung zur Verminderung der Folgen eines Rückschlages einer Flamme (13) in einem Gemischweg (5) eines Vormischbrenners (16) in einem Heizgerät (1), welches mit einem Gemisch aus Brenngas und Luft betreibbar ist, wobei der Gemischweg (5) zwischen einem Brennerkörper (3) und einem Gebläse (7) so gestaltet ist, dass er die Funktion einer fluidischen Diode aufweist, nämlich zumindest für unterschiedliche Strömungsrichtungen oder unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten unterschiedliche Strömungswiderstände aufweist.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Gemischweg (5) so ausgelegt ist, dass Gemisch vom Gebläse (7) zum Brennerkörper (3) mit Geschwindigkeiten von 0,5 bis 10 m/s im Wesentlichen hindernisfrei strömen kann, während sich eine Druckwelle (15) in Gegenrichtung mit Geschwindigkeiten von 500 bis 3000 m/s im Wesentlichen nicht bis zum Gebläse (7) fortpflanzen kann.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gebläse (7) an oder in einem Gebläsezweig (19) des Gemischweges (5) angeordnet ist, der als seitliche Verzweigung (18) von einem Hauptzweig (20) ausgebildet ist.
  4. Anordnung nach Anspruch 3, wobei die Verzweigung (18) so gestaltet ist, dass der Gebläsezweig (19) gegenüber vom Brennerkörper (3) ausgehenden Strömungen im Hauptzweig (20) durch eine Abschirmung (6) abgeschirmt ist.
  5. Anordnung nach Anspruch 4, wobei die Abschirmung (6) durch eine in den Hauptzweig (20) ragende spitzwinkelige Ecke oder Kante gebildet ist.
  6. Anordnung nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei der Gebläsezweig (19) sich vom Gebläse (7) in Richtung Verzweigung (18) verjüngt.
  7. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der Hauptzweig (20) an einem dem Brennerkörper (3) gegenüberliegenden Ende hinter der Verzweigung (18) des Gebläsezweiges (19) in einer gerundeten Umlenkform (24) endet, die gestaltet ist, eine vom Brennerkörper (3) her einlaufende Druckwelle (15) in den Hauptzweig (20) zurückzulenken.
  8. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der Hauptzweig (20) an einem dem Brennerkörper (3) gegenüberliegenden Ende hinter der Verzweigung (18) des Gebläsezweiges (19) in einem Auslaufbereich (17) endet, der gestaltet ist, eine vom Brennerkörper (3) her einlaufende Druckwelle (15) abzubauen.
  9. Anordnung nach Anspruch 8, wobei der Auslaufbereich (17) Dämpfungsmittel (21) für eine Druckwelle (15) enthält, die gleichzeitig Mittel zur Aufnahme von Wärme aus einer Flammenfront sind.
  10. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei in dem Gemischweg (5) mindestens ein richtungsselektives und/oder mindestens ein geschwindigkeitsselektives Strömungsbeeinflussungsmittel (22) vorhanden ist.
  11. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 10, wobei in dem Gemischweg (5) ein Wärmeabsorber (23) angeordnet ist.
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