EP4428440A1 - Einstufige luft-gas-mischeinheit für eine verbrennungseinheit einer luft-gas-gemisch-verbrennungsanlage - Google Patents

Einstufige luft-gas-mischeinheit für eine verbrennungseinheit einer luft-gas-gemisch-verbrennungsanlage Download PDF

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EP4428440A1
EP4428440A1 EP24159888.7A EP24159888A EP4428440A1 EP 4428440 A1 EP4428440 A1 EP 4428440A1 EP 24159888 A EP24159888 A EP 24159888A EP 4428440 A1 EP4428440 A1 EP 4428440A1
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EP
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air
gas
air flow
mixing unit
flow
Prior art date
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Application number
EP24159888.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Sipco Max Hijenga
Danny Leerkes
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Definitions

  • An air-gas mixing unit for mixing air with gas which is designed to form a combustible air-gas mixture for a combustion unit of an air-gas mixture combustion plant.
  • This air-gas mixing unit comprises an air inlet for providing an air flow; an air flow guide channel arranged downstream of the air inlet; a gas inlet for providing a gas flow; and a gas valve for regulating the gas flow based on the pressure of the air flow.
  • the gas valve has a reference air pressure connection and regulates the gas flow based on the pressure of the air flow at the reference air pressure connection.
  • a first air-gas mixer is arranged downstream of the gas valve and is designed to mix the gas flow regulated by the gas valve with a partial air flow branched off from the air flow in order to produce a premixed air-gas mixture.
  • a second air-gas mixer is arranged downstream of the first air-gas mixer and downstream of the air inlet and is designed to mix the air flow provided by the air inlet with the premixed air-gas mixture produced by the first air-gas mixer to form the combustible air-gas mixture.
  • the combustible air-gas mixture is supplied to the combustion unit via an air-gas outlet of the air-gas mixing unit.
  • the present invention relates to a single-stage air-gas mixing unit for mixing air with gas to produce a combustible air-gas mixture for a combustion unit of an air-gas mixture combustion plant.
  • the single-stage air-gas mixing unit comprises an air inlet for supplying an air flow; an air flow guide channel arranged downstream of the air inlet; a gas inlet for supplying a gas flow; a gas valve for regulating the gas flow; an air-gas mixer designed to mix the air flow with the gas flow regulated by the gas valve to produce the combustible air-gas mixture; and an air-gas outlet for supplying the combustible air-gas mixture to the combustion unit.
  • the gas valve is arranged downstream of the gas inlet and has a reference air pressure port which is connected to the air flow guide channel via a reference air flow guide channel in order to supply a reference air flow branched off from the air flow to the reference air pressure port, wherein the reference air flow guide channel is connected to an air leakage path for regulating a pressure of the reference air flow applied to the reference air pressure port, and wherein the gas valve is provided for regulating the gas flow based on the pressure of the reference air flow applied to the reference air pressure port.
  • the air-gas mixer is preferably arranged downstream of the gas valve. Furthermore, the air-gas mixer is preferably arranged downstream of the reference air guide channel or of a branching point at which the reference air guide channel branches off from the air flow guide channel.
  • a simplified air-gas mixing unit can be provided in a simple manner, in which advantageously a corresponding pressure of a the reference air flow branched off from the air flow can be at least partially decoupled from a pressure of the reference air flow present at the reference air pressure connection.
  • the gas stream preferably contains hydrogen.
  • an improved air-gas mixing unit for mixing air with hydrogen can be provided.
  • the single-stage air-gas mixing unit comprises a fan which is designed to generate the air flow.
  • the amount of air required for mixing can be supplied to the air-gas mixer safely and reliably at a specified flow rate.
  • the fan is arranged upstream of the air-gas mixer in the air flow guide channel.
  • the fan is arranged upstream of the reference air flow guide channel or of a branching point at which the reference air flow guide channel branches off from the air flow guide channel.
  • the air-gas mixer can be easily arranged in a positive pressure region of the air flow to mix the air flow with the gas flow controlled by the gas valve to enable improved mixing.
  • the gas valve is a pneumatic gas valve which is designed to adapt an output pressure of the gas flow to the pressure of the reference air flow present at the reference air pressure connection.
  • the reference air flow guide channel has an inner diameter in the range of 5 mm to 8 mm.
  • the air leakage path is designed to at least partially decouple a pressure of the reference air flow branched off from the air flow from the pressure of the reference air flow present at the reference air pressure connection.
  • the air leakage path has an exit opening with a size in the range of 1 mm to 2 mm.
  • a sufficiently dimensioned outlet opening can be achieved for a suitable decoupling of the pressure of the reference air flow applied to the reference air pressure connection from the pressure of the reference air flow branched off from the air flow.
  • the outlet opening of the air leakage path is provided with a perforated plate, is formed by a manually adjustable valve, or is formed by an electronic valve.
  • the exit opening can be formed in an uncomplicated, stable and robust manner.
  • the present invention relates to an air-gas mixture combustion plant with a combustion unit for burning a combustible air-gas mixture, and with a single-stage air-gas mixing unit as described above for producing the combustible air-gas mixture.
  • an air-gas mixture combustion system can be provided with a simplified air-gas mixing unit, which advantageously improves the corresponding combustion quality and increases the safety during combustion.
  • a more efficient combustion of a combustible air-gas mixture formed by the air-gas mixing unit can be enabled by the combustion unit and thus a significant reduction in the NOx emissions that occur can be achieved, especially if the gas is hydrogen.
  • Fig.1 shows an exemplary air-gas mixture combustion system 100 for burning an air-gas mixture.
  • the air-gas mixture combustion system 100 can be used in any application that requires the use of a heat exchanger.
  • the air-gas mixture combustion system 100 can be used in a building heating system or a water heater.
  • the air-gas mixture combustion plant 100 may include an external air inlet 105 for supplying air 111, an external gas inlet 107 for supplying gas 119, and an exhaust outlet 150 for discharging exhaust gas 152. Furthermore, the air-gas mixture combustion plant 100 may include an air-gas mixing unit 110 for mixing air with gas, a combustion unit 120, and a heat exchanger 140.
  • the gas 119 is supplied to the air-gas mixing unit 110 for mixing with air and can be any gas such as hydrogen, propane, butane, methane, liquefied petroleum gas, etc. However, the gas preferably comprises hydrogen.
  • the gas 119 can have a certain gas quality range.
  • the gas quality range can be specified by a respective gas distributor.
  • the gas 119 can contain other, normally non-combustible substances. These other substances in the gas 119 are called impurities. Typical impurities are nitrogen or carbon dioxide.
  • the air-gas mixing unit 110 is preferably designed to mix the air 111 with the gas 119 to produce a combustible air-gas mixture 130.
  • the combustible air-gas mixture 130 is a homogeneous mixture of the air 111 and the gas 119.
  • the air-gas mixing unit 110 is designed as a single-stage air-gas mixing unit 110, as in Fig. 2 and Fig.3 shown.
  • the air-gas mixing unit 110 comprises an air inlet 113, which for example receives the air 111 from the external air inlet 105 of the air-gas mixture combustion system 100 and supplies it to the air-gas mixing unit 110 as an air flow.
  • the air flow is also identified below with the reference number 111.
  • the air-gas mixing unit 110 further comprises a gas inlet 117, which receives the gas 119 from the external gas inlet 107 and supplies it to the air-gas mixing unit as a gas flow.
  • the gas flow is also identified below with the reference number 119.
  • the combustible air-gas mixture 130 is formed in the single-stage air-gas mixing unit 110 from the air flow 111 supplied from the air inlet 113 and the gas flow 119 supplied from the gas inlet 117.
  • the combustible air-gas mixture 130 is mixed by an air-gas mixer (220 in Fig. 2 ), as in Fig. 2 and Fig.3
  • the combustible air-gas mixture 130 is fed to the combustion unit 120 via an air-gas outlet 132.
  • the combustion unit 120 is provided with a burner surface 124, which is preferably arranged downstream of the air-gas mixing unit 110 such that the combustible air-gas mixture 130 formed in the single-stage air-gas mixing unit 110 flows towards the burner surface 124.
  • a fan can drive the combustible air-gas mixture 130 towards the burner surface 124.
  • the combustible air-gas mixture 130 is burned by the combustion unit 120 and, in particular, on the burner surface 124.
  • the heat exchanger 140 can transfer the heat generated by the combustion on the burner surface 124 to another medium.
  • the heat exchanger 140 can transfer the heat generated on the burner surface 124 to water in a water circuit.
  • the exhaust outlet 150 can evacuate the exhaust gas 152 from the air-gas mixture combustion system 100.
  • Fig. 2 shows the air-gas mixture combustion plant 100 for burning an air-gas mixture of Fig.1 .
  • the air-gas mixture combustion system 100 comprises the combustion unit 120 and the single-stage air-gas mixing unit 110 for mixing air with gas to produce a combustible air-gas mixture 130.
  • the single-stage air-gas mixing unit 110 comprises the air inlet 113 for supplying the air flow 111, the gas inlet 117 for supplying the gas flow 119, and the air-gas outlet 132 for supplying the combustible air-gas mixture 130 to the combustion unit 120.
  • the air flow 111 is fed to an air-gas mixer 220 via an air flow guide channel 230, which is arranged downstream of the air inlet 113.
  • a fan 270 is arranged upstream of the air-gas mixer 220 in the air flow guide channel 230.
  • the fan 270 is preferably designed to generate the air flow 111 or to form it as a volume flow, i.e. with a predetermined flow rate and a predetermined flow quantity.
  • the air flow guide channel 230 connects the air inlet 113 to the air-gas mixer 220 and has a branching point 241 at which a reference air flow guide channel 250 branches off to a gas valve 240 of the single-stage air-gas mixing unit 110.
  • the branching point 241 is illustratively arranged downstream of the fan 270 and upstream of the air-gas mixer 220.
  • the gas valve 240 is arranged downstream of the gas inlet 117 and has a reference air pressure connection 242 which is connected to the air flow guide channel 230 via the reference air flow guide channel 250.
  • a reference air flow 112 branched off from the air flow 111 can be supplied to the reference air pressure connection 242 via the reference air flow guide channel 250.
  • the reference air flow guide channel 250 is connected to an air leakage path 260.
  • the reference air flow guide channel 250 has an inner diameter in the range of 5 mm to 8 mm.
  • the gas valve 240 regulates the gas flow 119 supplied from the gas inlet 117, which is supplied to the air-gas mixer 220.
  • the air-gas mixer 220 mixes the air flow 111 supplied via the air flow guide channel 230 with the gas flow 119 regulated by the gas valve 240 to produce the combustible air-gas mixture 130.
  • Fig.3 shows a section of the single-stage air-gas mixing unit 110 from Fig. 2 , with the fan 270 for generating the air flow 111, the air flow guide channel 230 for guiding the air flow 111, the gas inlet 117 for supplying the gas flow 119 to the gas valve 240, and the reference air flow guide channel 250 connected to the air leakage path 260 between the branch point 241 on the air flow guide channel 230 and the reference air pressure connection 242 on the gas valve 240.
  • the gas valve 240 is preferably a pneumatic gas valve that regulates the gas flow 119 based on a pressure 245 of the reference air flow 112 present at the reference air pressure connection 242.
  • the gas valve 240 is preferably designed to adapt an output pressure of the gas flow 119 to the pressure 245 of the reference air flow 112 present at the reference air pressure connection 242.
  • the air leakage path 260 is connected to the reference air flow guide channel 250 for regulating the pressure 245 of the reference air flow 112 present at the reference air pressure connection 242 of the gas valve 240.
  • the air leakage path 260 is preferably designed to at least partially decouple a pressure 247 of the reference air flow 112 branched off from the air flow 111, which illustratively is present at the branching point 241, from the pressure 245 of the reference air flow 112 present at the reference air pressure connection 242.
  • the air leakage path 260 has an exit opening 268 with a size in the range of 1 mm to 2 mm.
  • the exit opening 268 opens preferably into the atmosphere surrounding the single-stage air-gas mixing unit 110.
  • the outlet opening 268 of the air leakage path 260 can be provided with a perforated plate, for example.
  • the outlet opening 268 can be formed by a manually adjustable valve or by an electronic valve.
  • the air leakage path 260 with the outlet opening 268, which is provided with a perforated plate, enables a fixed reduction of the outlet pressure of the gas flow 119 at the gas valve 240 and thus a fixed setting of a respective air-gas ratio at the air-gas mixer 220 of Fig.2 such that this air-gas ratio is unequal or greater than 1:1.
  • the outlet opening 268 can be set manually, for example, depending on a predetermined pressure setpoint, or on the basis of exhaust gas measurements using suitable exhaust gas measuring devices.
  • the outlet opening 268 can be set electronically, for example via a control signal, whereby the control signal can, for example, represent a respective flame quality.
  • Fig.4 shows a diagram 400 which illustrates three different combustion curves 430, 440, 450.
  • the combustion curves 430, 440, 450 represent lambda ( ⁇ ) values 410, ie air-gas ratios, depending on a respective heat input 420.
  • the combustion curve 440 here corresponds illustratively to a combustion curve when using hydrogen in a corresponding combustible air-gas mixture that is generated by a conventional single-stage air-gas mixing unit.
  • the combustion curve 430 corresponds illustratively to a combustion curve when using methane in a corresponding combustible air-gas mixture that is generated by a conventional single-stage air-gas mixing unit.
  • the combustion curve 450 illustratively corresponds to a combustion curve when using hydrogen in a corresponding combustible air-gas mixture produced by the single-stage air-gas mixing unit 110 of Fig. 2 and Fig.3
  • the single-stage air-gas mixing unit 110 of Fig. 2 and Fig.3 an increase in the lambda ( ⁇ ) values over a wide range of the respective heat input, so that a significant reduction in NOx emissions occurring during combustion can be achieved and thus a corresponding combustion quality can be improved. Furthermore, this can reduce the risk of flashback during combustion, so that the safety of combustion can be increased.

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Abstract

Bei einer einstufigen Luft-Gas-Mischeinheit (110) zum Mischen von Luft mit Gas zur Erzeugung eines brennbaren Luft-Gas-Gemischs (130) für eine Verbrennungseinheit (120) einer Luft-Gas-Gemisch-Verbrennungsanlage (100) sind vorgesehen: ein Lufteinlass (113) zum Zuführen eines Luftstroms (111); ein Luftstromführungskanal (230), der stromabwärts vom Lufteinlass (113) angeordnet ist; ein Gaseinlass (117) zum Zuführen eines Gasstroms (119); ein Gasventil (240) zum Regeln des Gasstroms (119); ein Luft-Gas-Mischer (220), der zum Mischen des Luftstroms (111) mit dem vom Gasventil (240) geregelten Gasstrom (119) ausgebildet ist, um das brennbare Luft-Gas-Gemisch (130) zu erzeugen; und ein Luft-Gas-Auslass (132) zum Zuführen des brennbaren Luft-Gas-Gemischs (130) zur Verbrennungseinheit (120).

Description

    Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine einstufige Luft-Gas-Mischeinheit zum Mischen von Luft mit Gas zur Erzeugung eines brennbaren Luft-Gas-Gemischs für eine Verbrennungseinheit einer Luft-Gas-Gemisch-Verbrennungsanlage. Die einstufige Luft-Gas-Mischeinheit umfasst einen Lufteinlass, einen Luftstromführungskanal, einen Gaseinlass, ein Gasventil mit einem Referenzluftdruckanschluss, einen Luft-Gas-Mischer, sowie einen Luft-Gas-Auslass. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Luft-Gas-Gemisch-Verbrennungsanlage mit einer solchen Luft-Gas-Mischeinheit.
  • Aus der EP 4 083 504 A1 ist eine Luft-Gas-Mischeinheit zum Mischen von Luft mit Gas bekannt, die dazu ausgebildet ist, ein brennbares Luft-Gas-Gemisch für eine Verbrennungseinheit einer Luft-Gas-Gemisch-Verbrennungsanlage zu bilden. Diese Luft-Gas-Mischeinheit umfasst einen Lufteinlass zum Bereitstellen eines Luftstroms; einen Luftstromführungskanal, der stromabwärts vom Lufteinlass angeordnet ist; einen Gaseinlass zum Bereitstellen eines Gasstroms; sowie ein Gasventil zum Regeln des Gasstroms basierend auf dem Druck des Luftstroms. Hierbei weist das Gasventil einen Referenzluftdruckanschluss auf und regelt den Gasstrom basierend auf dem Druck des Luftstroms an dem Referenzluftdruckanschluss. Des Weiteren ist ein erster Luft-Gas-Mischer stromabwärts vom Gasventil angeordnet und zum Mischen des vom Gasventil geregelten Gasstroms mit einem vom Luftstrom abgezweigten Teilluftstrom ausgebildet, um ein vorgemischtes Luft-Gas-Gemisch zu erzeugen. Ein zweiter Luft-Gas-Mischer ist stromabwärts vom ersten Luft-Gas-Mischer und stromabwärts vom Lufteinlass angeordnet und dazu ausgebildet, den vom Lufteinlass bereitgestellten Luftstrom mit dem vom ersten Luft-Gas-Mischer erzeugten, vorgemischten Luft-Gas-Gemisch zu mischen, um das brennbare Luft-Gas-Gemisch zu bilden. Das brennbare Luft-Gas-Gemisch wird der Verbrennungseinheit über einen Luft-Gas-Auslass der Luft-Gas-Mischeinheit zugeführt.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine einstufige Luft-Gas-Mischeinheit zum Mischen von Luft mit Gas zur Erzeugung eines brennbaren Luft-Gas-Gemischs für eine Verbrennungseinheit einer Luft-Gas-Gemisch-Verbrennungsanlage. Die einstufige Luft-Gas-Mischeinheit umfasst einen Lufteinlass zum Zuführen eines Luftstroms; einen Luftstromführungskanal, der stromabwärts vom Lufteinlass angeordnet ist; einen Gaseinlass zum Zuführen eines Gasstroms; ein Gasventil zum Regeln des Gasstroms; einen Luft-Gas-Mischer, der zum Mischen des Luftstroms mit dem vom Gasventil geregelten Gasstrom ausgebildet ist, um das brennbare Luft-Gas-Gemisch zu erzeugen; und einen Luft-Gas-Auslass zum Zuführen des brennbaren Luft-Gas-Gemischs zur Verbrennungseinheit. Das Gasventil ist stromabwärts vom Gaseinlass angeordnet und weist einen Referenzluftdruckanschluss auf, der über einen Referenzluftstromführungskanal mit dem Luftstromführungskanal verbunden ist, um dem Referenzluftdruckanschluss einen vom Luftstrom abgezweigten Referenzluftstrom zuzuführen, wobei der Referenzluftstromführungskanal mit einem Luftleckagepfad zum Regeln eines am Referenzluftdruckanschluss anliegenden Drucks des Referenzluftstroms verbunden ist, und wobei das Gasventil zum Regeln des Gasstroms basierend auf dem am Referenzluftdruckanschluss anliegenden Druck des Referenzluftstroms vorgesehen ist.
  • Bevorzugt ist der Luft-Gas-Mischer stromabwärts vom Gasventil angeordnet. Des Weiteren ist der Luft-Gas-Mischer bevorzugt stromabwärts vom Referenzluftführungskanal bzw. von einer Abzweigungsstelle, an der der Referenzluftführungskanal vom Luftstromführungskanal abzweigt, angeordnet.
  • Somit kann auf einfache Art und Weise eine vereinfachte Luft-Gas-Mischeinheit bereitgestellt werden, bei der vorteilhafterweise ein entsprechender Druck eines vom Luftstrom abgezweigten Referenzluftstroms von einem jeweils am Referenzluftdruckanschluss anliegenden Druck des Referenzluftstroms zumindest teilweise entkoppelt werden kann. Hierdurch kann eine effizientere Verbrennung eines jeweils gebildeten, brennbaren Luft-Gas-Gemischs durch eine Verbrennungseinheit einer Luft-Gas-Gemisch-Verbrennungsanlage ermöglicht werden und somit eine signifikante Reduzierung hierbei auftretender NOx-Emissionen erreicht werden, insbesondere falls das Gas Wasserstoff ist. Insgesamt wird somit eine entsprechende Verbrennungsqualität verbessert und die Sicherheit bei der Verbrennung erhöht.
  • Bevorzugt weist der Gasstrom Wasserstoff auf.
  • Somit kann eine verbesserte Luft-Gas-Mischeinheit zum Mischen von Luft mit Wasserstoff bereitgestellt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die einstufige Luft-Gas-Mischeinheit einen Lüfter auf, der dazu ausgebildet ist, den Luftstrom zu erzeugen.
  • Somit kann sicher und zuverlässig eine jeweils zum Mischen erforderliche Luftmenge mit einer vorgesehenen Fließgeschwindigkeit dem Luft-Gas-Mischer zugeführt werden.
  • Bevorzugt ist der Lüfter stromaufwärts vom Luft-Gas-Mischer im Luftstromführungskanal angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Lüfter stromaufwärts vom Referenzluftführungskanal bzw. von einer Abzweigungsstelle, an der der Referenzluftführungskanal vom Luftstromführungskanal abzweigt, im Luftstromführungskanal angeordnet.
  • Somit kann der Luft-Gas-Mischer auf einfache Art und Weise in einem positiven Druckbereich des Luftstroms zum Mischen des Luftstroms mit dem vom Gasventil geregelten Gasstrom angeordnet werden, um ein verbessertes Mischen zu ermöglichen.
  • Vorzugsweise ist das Gasventil ein pneumatisches Gasventil, das dazu ausgebildet ist, einen Ausgangsdruck des Gasstroms dem am Referenzluftdruckanschluss anliegenden Druck des Referenzluftstroms anzupassen.
  • Somit kann ein unkompliziertes und kostengünstiges Gasventil Anwendung finden.
  • Bevorzugt weist der Referenzluftstromführungskanal einen Innendurchmesser im Bereich von 5 mm bis 8 mm auf.
  • Somit kann auf einfache Art und Weise ein ausreichend dimensionierter Referenzluftstromführungskanal bereitgestellt werden.
  • Vorzugsweise ist der Luftleckagepfad dazu ausgebildet, einen Druck des vom Luftstrom abgezweigten Referenzluftstroms von dem am Referenzluftdruckanschluss anliegenden Druck des Referenzluftstroms zumindest teilweise zu entkoppeln.
  • Somit kann eine verbesserte Regelung des Gasstroms durch das Gasventil ermöglicht werden.
  • Bevorzugt weist der Luftleckagepfad eine Ausgangsöffnung mit einer Größe im Bereich von 1 mm bis 2 mm auf.
  • Somit kann eine ausreichend dimensionierte Ausgangsöffnung für eine geeignete Entkopplung des am Referenzluftdruckanschluss anliegenden Drucks des Referenzluftstroms vom Druck des vom Luftstrom abgezweigten Referenzluftstroms erreicht werden.
  • Vorzugsweise ist die Ausgangsöffnung des Luftleckagepfads mit einer Lochplatte versehen, wird von einem manuell einstellbaren Ventil gebildet, oder wird von einem elektronischen Ventil gebildet.
  • Somit kann die Ausgangsöffnung auf unkomplizierte, stabile und robuste Art und Weise ausgebildet werden.
  • Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Luft-Gas-Gemisch-Verbrennungsanlage mit einer Verbrennungseinheit zum Verbrennen eines brennbaren Luft-Gas-Gemischs, und mit einer oben beschriebenen einstufigen Luft-Gas-Mischeinheit zur Erzeugung des brennbaren Luft-Gas-Gemischs.
  • Somit kann eine Luft-Gas-Gemisch-Verbrennungsanlage mit einer vereinfachten Luft-Gas-Mischeinheit bereitgestellt werden, durch die vorteilhafterweise eine entsprechende Verbrennungsqualität verbessert und die Sicherheit bei der Verbrennung erhöht werden. Insbesondere kann eine effizientere Verbrennung eines jeweils von der Luft-Gas-Mischeinheit gebildeten, brennbaren Luft-Gas-Gemischs durch die Verbrennungseinheit ermöglicht werden und somit eine signifikante Reduzierung hierbei auftretender NOx-Emissionen erreicht werden, insbesondere falls das Gas Wasserstoff ist.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Ansicht einer Luft-Gas-Gemisch-Verbrennungsanlage mit einer einstufigen Luft-Gas-Mischeinheit,
    Fig. 2
    eine schematische Ansicht der Luft-Gas-Gemisch-Verbrennungsanlage von Fig. 1 mit der gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten, einstufigen Luft-Gas-Mischeinheit,
    Fig. 3
    einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 2, und
    Fig. 4
    beispielhafte Verbrennungskurven für die Luft-Gas-Gemisch-Verbrennungsanlage von Fig. 1 und Fig. 2.
    Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In den Figuren werden Elemente mit gleicher oder vergleichbarer Funktion mit identischen Bezugszeichen versehen und nur einmal genauer beschrieben. Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Luft-Gas-Gemisch-Verbrennungsanlage 100 zum Verbrennen eines Luft-Gas-Gemischs. Hierbei kann die Luft-Gas-Gemisch-Verbrennungsanlage 100 z. B. in einer beliebigen Anwendung Einsatz finden, die die Verwendung eines Wärmetauschers erfordert. Beispielsweise kann die Luft-Gas-Gemisch-Verbrennungsanlage 100 in einem Gebäudeheizungssystem oder einem Warmwasserbereiter eingesetzt werden.
  • Wie in Fig. 1 gezeigt, kann die Luft-Gas-Gemisch-Verbrennungsanlage 100 einen äußeren Lufteinlass 105 zum Zuführen von Luft 111, einen äußeren Gaseinlass 107 zum Zuführen von Gas 119 und einen Abzugsauslass 150 zum Abführen von Abgas 152 umfassen. Des Weiteren kann die Luft-Gas-Gemisch-Verbrennungsanlage 100 eine Luft-Gas-Mischeinheit 110 zum Mischen von Luft mit Gas, eine Verbrennungseinheit 120 und einen Wärmetauscher 140 aufweisen.
  • Das Gas 119 wird der Luft-Gas-Mischeinheit 110 zum Mischen mit Luft zugeführt und kann ein beliebiges Gas wie z. B. Wasserstoff, Propan, Butan, Methan, Flüssiggas usw. sein. Bevorzugt weist das Gas jedoch Wasserstoff auf.
  • Beispielsweise kann das Gas 119 einen bestimmten Gasqualitätsbereich aufweisen. Der Gasqualitätsbereich kann von einem jeweiligen Gasverteiler vorgegeben werden. Somit kann das Gas 119 neben dem reinen Brennstoff selbst andere, normalerweise nicht brennbare Stoffe enthalten. Diese anderen Stoffe im Gas 119 werden Verunreinigungen genannt. Typische Verunreinigungen sind Stickstoff oder Kohlendioxid.
  • Eine entsprechende Dichte und Viskosität des reinen Brennstoffs unterscheiden sich hierbei von der Dichte und Viskosität der typischen Verunreinigungen. Wenn sich die Gasqualität innerhalb der durch die Gasqualitätsnormen erlaubten Grenzen ändert, ändert sich die Konzentration von Verunreinigungen in dem Gas 119. Dies führt zu einer Änderung der Dichte und Viskosität des Gases 119 und somit einer jeweiligen Strömungsrate des der Luft-Gas-Mischeinheit 110 zugeführten Gases 119. Hierdurch ändern sich wiederum der Wärmeeintrag und das Luft-Gas-Verhältnis der Luft-Gas-Gemisch-Verbrennungsanlage 100. Hierbei gilt, je größer der Dichte- und Viskositätsunterschied zwischen dem Gas 119 vor der Gasqualitätsänderung und nach der Gasqualitätsänderung ist, desto größer ist die Änderung des Wärmeeintrags und des Luft-Gas-Verhältnisses der Luft-Gas-Gemisch-Verbrennungsanlage 100 zum Zeitpunkt der Gasqualitätsänderung.
  • Die Luft-Gas-Mischeinheit 110 ist vorzugsweise zum Mischen der Luft 111 mit dem Gas 119 ausgelegt, um ein brennbares Luft-Gas-Gemisch 130 zu erzeugen. Vorzugsweise ist das brennbare Luft-Gas-Gemisch 130 ein homogenes Gemisch aus der Luft 111 und dem Gas 119. Bevorzugt ist die Luft-Gas-Mischeinheit 110 als einstufige Luft-Gas-Mischeinheit 110 ausgeführt, wie in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigt.
  • Die Luft-Gas-Mischeinheit 110 umfasst einen Lufteinlass 113, der beispielhaft die Luft 111 von dem äußeren Lufteinlass 105 der Luft-Gas-Gemisch-Verbrennungsanlage 100 aufnimmt und der Luft-Gas-Mischeinheit 110 als Luftstrom zuführt. Der Luftstrom wird nachfolgend der Einfachheit halber ebenfalls mit dem Bezugszeichen 111 gekennzeichnet. Des Weiteren umfasst die Luft-Gas-Mischeinheit 110 einen Gaseinlass 117, der das Gas 119 vom äußeren Gaseinlass 107 aufnimmt und der Luft-Gas-Mischeinheit als Gasstrom zuführt. Der Gasstrom wird nachfolgend der Einfachheit halber ebenfalls mit dem Bezugszeichen 119 gekennzeichnet.
  • Illustrativ wird das brennbare Luft-Gas-Gemisch 130 in der einstufigen Luft-Gas-Mischeinheit 110 aus dem vom Lufteinlass 113 zugeführten Luftstrom 111 und dem vom Gaseinlass 117 zugeführten Gasstrom 119 gebildet. Hierbei wird das brennbare Luft-Gas-Gemisch 130 von einem Luft-Gas-Mischer (220 in Fig. 2) erzeugt, wie bei Fig. 2 und Fig. 3 beschrieben. Das brennbare Luft-Gas-Gemisch 130 wird über einen Luft-Gas-Auslass 132 der Verbrennungseinheit 120 zugeführt.
  • Beispielhaft ist die Verbrennungseinheit 120 mit einer Brenneroberfläche 124 versehen, die bevorzugt stromabwärts von der Luft-Gas-Mischeinheit 110 derart angeordnet ist, dass das brennbare Luft-Gas-Gemisch 130, das in der einstufigen Luft-Gas-Mischeinheit 110 gebildet wird, zur Brenneroberfläche 124 strömt. Falls gewünscht, kann ein Lüfter das brennbare Luft-Gas-Gemisch 130 in Richtung der Brenneroberfläche 124 treiben.
  • Das brennbare Luft-Gas-Gemisch 130 wird durch die Verbrennungseinheit 120 und, insbesondere, an der Brenneroberfläche 124 verbrannt. Hierbei kann der Wärmetauscher 140 die Wärme, die durch die Verbrennung an der Brenneroberfläche 124 entsteht, auf ein anderes Medium übertragen. Beispielsweise kann der Wärmetauscher 140 die Wärme, die an der Brenneroberfläche 124 entsteht, auf Wasser in einem Wasserkreislauf übertragen. Der Abzugsauslass 150 kann das Abgas 152 aus der Luft-Gas-Gemisch-Verbrennungsanlage 100 evakuieren.
  • Fig. 2 zeigt die Luft-Gas-Gemisch-Verbrennungsanlage 100 zum Verbrennen eines Luft-Gas-Gemischs von Fig. 1. Wie bei Fig. 1 beschrieben umfasst die Luft-Gas-Gemisch-Verbrennungsanlage 100 die Verbrennungseinheit 120 und die einstufige Luft-Gas-Mischeinheit 110 zum Mischen von Luft mit Gas zur Erzeugung eines brennbaren Luft-Gas-Gemischs 130. Die einstufige Luft-Gas-Mischeinheit 110 umfasst den Lufteinlass 113 zum Zuführen des Luftstroms 111, den Gaseinlass 117 zum Zuführen des Gasstroms 119, sowie den Luft-Gas-Auslass 132 zum Zuführen des brennbaren Luft-Gas-Gemischs 130 zur Verbrennungseinheit 120.
  • Der Luftstrom 111 wird über einen Luftstromführungskanal 230, der stromabwärts vom Lufteinlass 113 angeordnet ist, einem Luft-Gas-Mischer 220 zugeführt. Illustrativ ist ein Lüfter 270 stromaufwärts vom Luft-Gas-Mischer 220 im Luftstromführungskanal 230 angeordnet. Der Lüfter 270 ist bevorzugt dazu ausgebildet, den Luftstrom 111 zu erzeugen bzw. als Volumenstrom zu formen, d. h. mit vorgegebener Durchflussrate und vorgegebener Durchflussmenge.
  • Der Luftstromführungskanal 230 verbindet den Lufteinlass 113 mit dem Luft-Gas-Mischer 220 und weist eine Abzweigungsstelle 241 auf, an der ein Referenzluftstromführungskanal 250 zu einem Gasventil 240 der einstufigen Luft-Gas-Mischeinheit 110 abzweigt. Die Abzweigungsstelle 241 ist illustrativ stromabwärts vom Lüfter 270 und stromaufwärts vom Luft-Gas-Mischer 220 angeordnet.
  • Das Gasventil 240 ist stromabwärts vom Gaseinlass 117 angeordnet und weist einen Referenzluftdruckanschluss 242 auf, der über den Referenzluftstromführungskanal 250 mit dem Luftstromführungskanal 230 verbunden ist. Hierdurch kann dem Referenzluftdruckanschluss 242 ein vom Luftstrom 111 abgezweigter Referenzluftstrom 112 über den Referenzluftstromführungskanal 250 zugeführt werden. Der Referenzluftstromführungskanal 250 ist mit einem Luftleckagepfad 260 verbunden. Vorzugsweise weist der Referenzluftstromführungskanal 250 einen Innendurchmesser im Bereich von 5 mm bis 8 mm auf.
  • Basierend auf dem dem Referenzluftdruckanschluss 242 zugeführten Referenzluftstrom 112 regelt das Gasventil 240 den vom Gaseinlass 117 zugeführten Gasstrom 119, der dem Luft-Gas-Mischer 220 zugeführt wird. Der Luft-Gas-Mischer 220 mischt den über den Luftstromführungskanal 230 zugeführten Luftstrom 111 mit dem vom Gasventil 240 geregelten Gasstrom 119, um das brennbare Luft-Gas-Gemisch 130 zu erzeugen.
  • Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus der einstufigen Luft-Gas-Mischeinheit 110 von Fig. 2, mit dem Lüfter 270 zum Erzeugen des Luftstroms 111, dem Luftstromführungskanal 230 zum Führen des Luftstroms 111, dem Gaseinlass 117 zum Zuführen des Gasstroms 119 zum Gasventil 240, und dem mit dem Luftleckagepfad 260 verbundenen Referenzluftstromführungskanal 250 zwischen der Abzweigungsstelle 241 am Luftstromführungskanal 230 und dem Referenzluftdruckanschluss 242 am Gasventil 240.
  • Das Gasventil 240 ist vorzugsweise ein pneumatisches Gasventil, das den Gasstrom 119 basierend auf einem am Referenzluftdruckanschluss 242 anliegenden Druck 245 des Referenzluftstroms 112 regelt. Insbesondere ist das Gasventil 240 bevorzugt dazu ausgebildet, einen Ausgangsdruck des Gasstroms 119 dem am Referenzluftdruckanschluss 242 anliegenden Druck 245 des Referenzluftstroms 112 anzupassen.
  • Hierbei ist der Luftleckagepfad 260 zum Regeln des am Referenzluftdruckanschluss 242 des Gasventils 240 anliegenden Drucks 245 des Referenzluftstroms 112 mit dem Referenzluftstromführungskanal 250 verbunden. Vorzugsweise ist der Luftleckagepfad 260 dazu ausgebildet, einen Druck 247 des vom Luftstrom 111 abgezweigten Referenzluftstroms 112, der illustrativ an der Abzweigungsstelle 241 anliegt, von dem am Referenzluftdruckanschluss 242 anliegenden Druck 245 des Referenzluftstroms 112 zumindest teilweise zu entkoppeln.
  • Bevorzugt weist der Luftleckagepfad 260 eine Ausgangsöffnung 268 mit einer Größe im Bereich von 1 mm bis 2 mm auf. Die Ausgangsöffnung 268 mündet vorzugsweise in die die einstufige Luft-Gas-Mischeinheit 110 umgebende Atmosphäre. Hierbei kann die Ausgangsöffnung 268 des Luftleckagepfads 260 z.B. mit einer Lochplatte versehen sein. Alternativ hierzu kann die Ausgangsöffnung 268 von einem manuell einstellbaren Ventil oder von einem elektronischen Ventil gebildet werden.
  • Der Luftleckagepfad 260 mit der Ausgangsöffnung 268, die mit einer Lochplatte versehen ist, ermöglicht eine fest vorgegebene Reduzierung des Ausgangsdrucks des Gasstroms 119 am Gasventil 240 und somit eine fest vorgegebene Einstellung eines jeweiligen Luft-Gas-Verhältnisses am Luft-Gas-Mischer 220 von Fig. 2 derart, dass dieses Luft-Gas-Verhältnis ungleich bzw. größer als 1:1 ist. Bei Verwendung eines manuell einstellbaren Ventils kann die Ausgangsöffnung 268 z.B. in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Druck-Sollwert manuell eingestellt werden, oder auf der Basis von Abgasmessungen mittels geeigneter Abgasmesseinrichtungen. Bei der Verwendung eines elektronischen Ventils kann die Ausgangsöffnung 268 z.B. über ein Steuersignal elektronisch eingestellt werden, wobei das Steuersignal z.B. eine jeweilige Flammenqualität abbilden kann.
  • Fig. 4 zeigt ein Diagramm 400, das beispielhaft drei unterschiedliche Verbrennungskurven 430, 440, 450 illustriert. Die Verbrennungskurven 430, 440, 450 bilden Lambda (λ) Werte 410, d.h. Luft-Gas-Verhältnisse, in Abhängigkeit von einem jeweiligen Wärmeeintrag 420 ab.
  • Die Verbrennungskurve 440 entspricht hierbei illustrativ einer Verbrennungskurve bei einer Verwendung von Wasserstoff in einem entsprechenden brennbaren Luft-Gas-Gemisch, das von einer gebräuchlichen einstufigen Luft-Gas-Mischeinheit erzeugt wird. Die Verbrennungskurve 430 entspricht als Vergleich hierzu illustrativ einer Verbrennungskurve bei einer Verwendung von Methan in einem entsprechenden brennbaren Luft-Gas-Gemisch, das von einer gebräuchlichen einstufigen Luft-Gas-Mischeinheit erzeugt wird.
  • Im Gegensatz hierzu entspricht die Verbrennungskurve 450 illustrativ einer Verbrennungskurve bei einer Verwendung von Wasserstoff in einem entsprechenden brennbaren Luft-Gas-Gemisch, das von der einstufigen Luft-Gas-Mischeinheit 110 von Fig. 2 und Fig. 3 erzeugt wird. Wie die Verbrennungskurve 450 zeigt, ermöglicht die einstufige Luft-Gas-Mischeinheit 110 von Fig. 2 und Fig. 3 eine Vergrößerung der Lambda (λ) Werte über einen weiten Bereich des jeweiligen Wärmeeintrags, sodass eine signifikante Reduzierung von bei der Verbrennung auftretenden NOx-Emissionen erreicht werden kann und somit eine entsprechende Verbrennungsqualität verbessert werden kann. Des Weiteren kann hierdurch bei der Verbrennung ein jeweiliges Flammenrückschlagsrisiko verringert werden, sodass die Sicherheit bei der Verbrennung erhöht werden kann.

Claims (10)

  1. Einstufige Luft-Gas-Mischeinheit (110) zum Mischen von Luft mit Gas zur Erzeugung eines brennbaren Luft-Gas-Gemischs (130) für eine Verbrennungseinheit (120) einer Luft-Gas-Gemisch-Verbrennungsanlage (100), aufweisend:
    einen Lufteinlass (113) zum Zuführen eines Luftstroms (111);
    einen Luftstromführungskanal (230), der stromabwärts vom Lufteinlass (113) angeordnet ist;
    einen Gaseinlass (117) zum Zuführen eines Gasstroms (119);
    ein Gasventil (240), das stromabwärts vom Gaseinlass (117) angeordnet ist und einen Referenzluftdruckanschluss (242) aufweist, der über einen Referenzluftstromführungskanal (250) mit dem Luftstromführungskanal (230) verbunden ist, um dem Referenzluftdruckanschluss (242) einen vom Luftstrom (111) abgezweigten Referenzluftstrom (112) zuzuführen, wobei der Referenzluftstromführungskanal (250) mit einem Luftleckagepfad (260) zum Regeln eines am Referenzluftdruckanschluss (242) anliegenden Drucks (245) des Referenzluftstroms (112) verbunden ist, und wobei das Gasventil (240) zum Regeln des Gasstroms (119) basierend auf dem am Referenzluftdruckanschluss (242) anliegenden Druck (245) des Referenzluftstroms (112) vorgesehen ist;
    einen Luft-Gas-Mischer (220), der zum Mischen des Luftstroms (111) mit dem vom Gasventil (240) geregelten Gasstrom (119) ausgebildet ist, um das brennbare Luft-Gas-Gemisch (130) zu erzeugen; und
    einen Luft-Gas-Auslass (132) zum Zuführen des brennbaren Luft-Gas-Gemischs (130) zur Verbrennungseinheit (120).
  2. Einstufige Luft-Gas-Mischeinheit nach Anspruch 1, wobei der Gasstrom (119) Wasserstoff aufweist.
  3. Einstufige Luft-Gas-Mischeinheit nach Anspruch 1 oder 2, aufweisend einen Lüfter (270), der dazu ausgebildet ist, den Luftstrom (111) zu erzeugen.
  4. Einstufige Luft-Gas-Mischeinheit nach Anspruch 3, wobei der Lüfter (270) stromaufwärts vom Luft-Gas-Mischer (220) im Luftstromführungskanal (230) angeordnet ist.
  5. Einstufige Luft-Gas-Mischeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gasventil (240) ein pneumatisches Gasventil ist, das dazu ausgebildet ist, einen Ausgangsdruck des Gasstroms (119) dem am Referenzluftdruckanschluss (242) anliegenden Druck (245) des Referenzluftstroms (112) anzupassen.
  6. Einstufige Luft-Gas-Mischeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Referenzluftstromführungskanal (250) einen Innendurchmesser im Bereich von 5 mm bis 8 mm aufweist.
  7. Einstufige Luft-Gas-Mischeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Luftleckagepfad (260) dazu ausgebildet ist, einen Druck (247) des vom Luftstrom (111) abgezweigten Referenzluftstroms (112) von dem am Referenzluftdruckanschluss (242) anliegenden Druck (245) des Referenzluftstroms (112) zumindest teilweise zu entkoppeln.
  8. Einstufige Luft-Gas-Mischeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Luftleckagepfad (260) eine Ausgangsöffnung (268) mit einer Größe im Bereich von 1 mm bis 2 mm aufweist.
  9. Einstufige Luft-Gas-Mischeinheit nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Ausgangsöffnung (268) des Luftleckagepfads (260) mit einer Lochplatte versehen ist, von einem manuell einstellbaren Ventil gebildet wird, oder von einem elektronischen Ventil gebildet wird.
  10. Luft-Gas-Gemisch-Verbrennungsanlage (100) mit einer Verbrennungseinheit (120) zum Verbrennen eines brennbaren Luft-Gas-Gemischs (130), und mit einer einstufigen Luft-Gas-Mischeinheit (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erzeugung des brennbaren Luft-Gas-Gemischs (130).
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