EP4467872A2 - Brenner für ein heizgerät und heizgerät - Google Patents

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EP4467872A2
EP4467872A2 EP24176946.2A EP24176946A EP4467872A2 EP 4467872 A2 EP4467872 A2 EP 4467872A2 EP 24176946 A EP24176946 A EP 24176946A EP 4467872 A2 EP4467872 A2 EP 4467872A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
burner
outflow
combustion
area
combustion zone
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24176946.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP4467872A3 (de
Inventor
Thomas Lemagnen
Tony Chaillou
Rodolphe Rolland
Jean-François Rouxel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vaillant GmbH filed Critical Vaillant GmbH
Publication of EP4467872A2 publication Critical patent/EP4467872A2/de
Publication of EP4467872A3 publication Critical patent/EP4467872A3/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F23D14/48—Nozzles
    • F23D14/58—Nozzles characterised by the shape or arrangement of the outlet or outlets from the nozzle, e.g. of annular configuration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2203/00—Gaseous fuel burners
    • F23D2203/10—Flame diffusing means
    • F23D2203/102—Flame diffusing means using perforated plates

Definitions

  • the invention relates to a burner for a heating device and a heating device that can be operated with hydrogen and/or a hydrogen-containing fuel gas.
  • Hydrogen as a fuel gas or as an additive to fuel gases is becoming increasingly important, and great efforts are being made to upgrade new or existing heating systems to operate with it. This does not only apply to large systems, but also to wall-mounted units for heating water and generally to heating systems for heating buildings and/or providing hot water.
  • Burners for use in such heating devices are widely known.
  • Such a burner is often mounted on a burner door that is built into a combustion chamber with a surrounding heat exchanger.
  • the burner can comprise a burner body with at least one perforated area from which a premixed, combustible fuel gas-air mixture (combustion mixture) can emerge.
  • the combustion mixture flows through the burner door into the burner and exits through the perforated area into the combustion chamber and burns.
  • the burner can have a cylindrical shape or (hemi-)spherical shape or be flat.
  • Holes are introduced into the perforated area, preferably in such a way that the outflow velocity of the fuel gas-air mixture in the Combustion chamber is adjusted to the respective flame speed (depending on the fuel gas).
  • the temperature of the burner body must under no circumstances reach the ignition temperature of the fuel gas-air mixture in order to prevent backfiring within the burner (flame flashback into the interior of the burner body).
  • Hydrogen differs in several ways from previously used fuel gases when it burns.
  • a hydrogen flame is almost invisible to the human eye (but radiates in the ultraviolet spectral range), radiates less heat than flames produced with carbon-containing fuels, but burns hotter.
  • the present invention is intended to make heating devices particularly suitable for conversion to operation with pure hydrogen or with fuel gas that consists of more than 50%, in particular more than 97% hydrogen.
  • the WO 2021/ 140 036 A1 a burner with a burner surface is proposed, having surface areas with holes and separation areas that space the surface areas with holes from one another, with a cumulative area of the holes being less than 5.0% of the burner surface.
  • the surface areas with holes define reaction zones that prevent the flame from spreading across the separation areas.
  • the possibility of safe combustion without flashback would be desirable with an even lower lambda than the burner presented enables.
  • the WO 2023/ 078 949 A1 describes a burner which is designed to burn a hydrogen-containing fuel gas and which can be part of a heating device. It is proposed there that the material of the burner surface has a coefficient of thermal conductivity of at least 80 W/(mK) and a modulus of elasticity of 150 GPa or less. However, a burner would be desirable which enables safe combustion without the occurrence of flashback, in particular with an even lower lambda than the burner described.
  • the object of the present invention is to at least partially solve the problems described with reference to the prior art and in particular to provide a burner and a heating device with a low flame flashback limit, which can be operated with low lambda and thus with high combustion efficiency.
  • the burner can be used for different heating devices, i.e. devices for heating and/or hot water supply.
  • An example is a wall-mounted heating device for heating and hot water supply.
  • Combustion air or a gas with an oxygen content can be supplied to the heating device for combustion.
  • the burner can be used independently of the exhaust system, especially in single and multiple exhaust systems.
  • the burner can be used in an arrangement as a single burner or as part of an arrangement with a burner function.
  • the heater can be a partially or fully premixed heater.
  • a conveying device of the heater can suck in a mass flow of combustion air via a combustion air supply and convey it in the direction of a combustion chamber in which the burner is arranged.
  • the conveying device can in particular be a fan.
  • the sucked in mass flow of combustion air can be supplied with air according to a a mass flow of fuel gas is added to the combustion air ratio (lambda) and the resulting combustion mixture is fed to the burner via a mixture channel.
  • Various methods for mixture formation are known; in particular, the heater can form a pneumatic or electronic gas-air connection.
  • a mass flow of fuel gas corresponding to a control pressure in a throttle point (venturi) of the combustion air supply is added.
  • An electronic gas-air connection records the mass flow of fuel gas supplied directly or indirectly, for example via the speed of the conveyor, and controls the mass flow of fuel gas to be added.
  • the heaters have a gas valve that can meter a mass flow of fuel gas.
  • the heater can approach different operating points within a modulation or power range and thus be operated with different power levels.
  • Modern heaters often have a large modulation range to increase efficiency and service life, for example from 2.5 kilowatts [kW] to 21 kW or a modulation rate (ratio of maximum to minimum power) of 1 to 5.
  • a large modulation range places high demands on the burner due to the very different designs and properties of the flame.
  • the heater and the burner can be designed to burn hydrogen or a fuel gas with a hydrogen content.
  • Hydrogen as a fuel is advantageous due to the possibility of sustainable production.
  • the hydrogen content in the fuel gas can in particular be at least 50 percent [%], at least 75% or in particular at least 90%.
  • the burner can be made of any suitable material. Stainless steel is often used due to its good temperature and corrosion resistance and easy availability.
  • the geometric shape of the burner can be any shape. Cylindrical or flat burners are particularly known.
  • a burner cavity can be connected to the mixture channel of the heater, and incoming fuel gas can be guided from the burner cavity into the combustion chamber via outlet openings arranged in a combustion zone and burn.
  • the combustion zone can be understood as a part of the burner surface that is designed to supply the combustion mixture to the combustion.
  • the combustion zone has outflow openings (holes).
  • the area of the combustion zone can be viewed as the area outlined by the outflow openings, i.e. the smallest connected area in which all outflow openings are arranged.
  • the combustion zone can form a monolithic unit with the burner body or be detachably connected to it, for example by means of a screw connection.
  • the combustion zone can have a shape that is at least largely flat (even) or three-dimensional.
  • a three-dimensional shape can consist of a raised area or a recessed area relative to the burner body or another shape, such as a bulge.
  • the combustion zone and the burner body can have the same material thickness and lie within a known range. Particularly in the case of a detachable the combustion zone connected to the burner body, different material thicknesses of the combustion zone and burner body are also conceivable.
  • the combustion zone comprises several outflow areas for the fuel gas in which the outflow openings are arranged. It is proposed that the cumulative (summed) area of the outflow openings of an outflow area is more than 3 percent [%] and less than 12.5 percent of the cumulative area of all outflow openings of the combustion zone. It was found that with the proposed area ratio, improved cooling or heat dissipation from the burner can be achieved.
  • the minimum distance between two outflow areas can be at least 3 millimetres [mm] and not more than 100 millimetres.
  • the distance from one outlet opening to the next outlet opening in the same outlet area is less than 1 millimeter [mm]. However, the distance should ensure mechanical stability of the outlet openings.
  • the outflow openings can have any shape, in particular a circular, rectangular, square shape or the shape of an elongated hole. It is also possible to combine different shapes within one outflow area.
  • the arrangement of the outflow openings within an outflow area is also arbitrary.
  • a geometric shape of the outflow area, as the outer contour of all outflow openings of the outflow area, can be, for example, rectangular, square, almost circular, oval or the shape of a rhombus or polygon.
  • the alignment of non-rotationally symmetrical receiving areas in relation to the alignment of the combustion zone can also be varied.
  • the arrangement of the outflow openings within an outflow area should be at least approximately evenly distributed.
  • the cumulative area of all outflow openings of an outflow region can be less than 90 square millimeters [mm 2 ], preferably less than 30 mm 2 .
  • the respective individual area of all outflow openings can be smaller than 2.5 mm 2 , in particular smaller than 0.5 mm 2 .
  • the combustion zone can have at least 8 outflow areas.
  • each outflow area can have at least 4 outflow openings.
  • the burner can have a flame arrester. This can be arranged between the burner surface and the mixture channel and can consist of a known material. A flame arrester can further minimize the risk of flashback.
  • a heating device having a burner as presented here.
  • the heating device can be designed in particular for the combustion of hydrogen or a hydrogen-containing fuel gas.
  • a burner for a heater and a heating device are therefore proposed here, which at least partially solve the problems described with reference to the prior art.
  • the burner and the heating device enable robust operation of the heater while simultaneously increasing the efficiency of operation.
  • a burner with a reduced flashback limit can be proposed, which enables safe operation with a lower lambda compared to known burners.
  • Another advantage is that the burner can easily be retrofitted to existing heating devices.
  • Fig. 1 shows, by way of example and schematically, a heating device 1 proposed here.
  • This can suck in combustion air through a conveyor device 2 via a combustion air supply 4 and add a fuel gas from a gas supply 13, for example hydrogen, to the sucked-in mass flow of combustion air via a gas valve 5.
  • the combustion mixture of fuel gas and combustion air can now be fed via a mixture channel 11 to a burner 3 arranged in a combustion chamber 8.
  • the burner 3 can be attached to a burner door 6 and connected to the mixture channel 11 in such a way that combustion mixture can flow into a burner cavity surrounded by a burner body 14.
  • the combustion mixture can then exit via a combustion zone 15 of the burner 3 and be burned.
  • the combustion products can be fed from the combustion chamber 8 to an exhaust line (exhaust system) 10 via an exhaust pipe 9.
  • a flame monitor 12 for example a UV sensor, can also be arranged on the burner door 6.
  • the UV sensor can be protected from the high temperatures of the burner 3 and located outside the Combustion chamber 8 can be arranged.
  • the heating device 1 can also have a regulating and control device 7.
  • the heating device 1 can be designed in particular for the combustion of hydrogen as a fuel.
  • the burner 3 can have a burner body 14 suitable for the combustion of hydrogen with a combustion zone 15.
  • Fig. 2 also shows, by way of example and schematically, an outflow region 16 of the combustion zone 15.
  • This can comprise 46 outflow openings 17, which can have a circular shape and form a geometric shape 20.
  • the outflow openings 17 can have a diameter 18 and can be arranged at a distance 19 from the nearest outflow opening 17 of less than 1 mm.
  • Fig. 3 also shows, by way of example and schematically, a combustion zone 15 with 28 outflow areas 16 according to the Fig. 2
  • the outflow areas 16 can be arranged symmetrically with respect to a first axis 26 and a second axis 27 of the combustion zone 15.
  • the combustion zone 15 can comprise a flange 28 for fastening to a burner body 14 with holes 21 for a screw connection to the burner body 14.
  • the diameter 18 can be 0.8 mm and the distance 19 0.4 mm.
  • Fig. 4 shows an example and schematically an alternative design of a combustion zone 15. This also comprises 28 outflow areas 16 which are arranged symmetrically with respect to a first axis 26 and a second axis 27 of the combustion zone 15. The outflow openings 17 of the receiving areas 16 are arranged here in an approximately circular geometric shape 20.
  • Fig. 5 shows four examples of the flashback limit of different burners 3 with combustion zones 15 (22, 23, 24, 25).
  • the minimum possible heat output without the occurrence of a flashback is given as the flashback limit as a function of the lambda.
  • the following table shows the properties of the corresponding combustion zones 15 of the burners 3 assigned to the curves 22, 23, 24, 25: Course 22 23 24 25 combustion zone flat flat curved curved total area of all outlet openings 400 mm 2 400 mm 2 520 mm 2 520 mm 2 diameter of the outlet opening 0.6 mm 0.6 mm 0.6 mm 0.6 0.6 mm mm mm mm
  • Geometric shape outflow area rhombus square hexagon square outlet openings per outlet area 12 49 div. 7/19/37 64 number of outflow areas 118 29 100 29 Area of one outflow area/ total area of all outflow openings 0.8% 3.4% 1% 3.4% Flashback limit at lambda 1.3 5.4 kW 3.5 kW 10 kW 6.2 kW
  • the combustion zones 15 have the same total area of all the outflow openings 17 for the courses 22 and 23.
  • a heater 1 equipped with the burner 3 and a combustion zone 15 according to curve 23 can enable more efficient combustion by lowering the lambda.
  • the combustion zones 15 according to the courses 24 and 25 have the same sum of the areas of all the outflow openings 17.
  • the combustion zones 15 according to the courses 24 and 25 are curved outwards, for example with a largely circular (hemispherical) curvature with a diameter in the area of the extension of the combustion zone 15 in the direction of the second axis 27.
  • the burner 3 according to course 24 has outflow areas 16 with a geometric shape 20 of a hexagon with 7, 19 or 37 outflow openings 17.
  • the burner 3 according to course 25 can, due to an arrangement of the outflow openings 17 according to the present invention, reduce the flashback limit to 6.2 kW compared to 10 kW of the burner 3 according to course 24.
  • the invention thus enables a reduction in the flashback limit of a combustion zone 15 of a burner 3 during the combustion of hydrogen and, associated with this, enables a burner 3 according to the present invention to be operated with a lower lambda. This can increase the efficiency of the combustion and reduce hydrogen consumption.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner (3) für ein Heizgerät (1) zu Verbrennung eines Brenngases, insbesondere Wasserstoff. Der Brenner (3) kann eine Brennzone (15) mit mehrere Ausströmbereichen (16) für das Brenngas mit jeweils einer Vielzahl von Ausströmöffnungen (17) aufweisen, wobei- die kumulierte Fläche der Ausströmöffnungen (17) eines Ausströmbereiches (16) mehr als 3 % und weniger als 12,5 % der kumulierten Fläche aller Ausströmöffnungen (17) der Brennzone (15) beträgt, und- der Abstand von einer Ausströmöffnung (17) zur nächstliegenden Ausströmöffnung (17) des gleichen Ausströmbereiches (16) kleiner 1 mm ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Brenner für ein Heizgerät und ein Heizgerät, das mit Wasserstoff und/oder ein wasserstoffhaltiges Brenngas, betreibbar ist.
  • 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 zum Einsatz in derartigen Heizgeräten sind weithin bekannt. Ein solcher Brenner ist häufig an einer Brennertür montiert, die in eine Verbrennungskammer mit umliegendem Wärmetauscher eingebaut ist. Der Brenner kann dabei einen Brennerkörper mit zumindest einem perforierten Bereich, aus dem ein vorgemischtes, brennbares Brenngas-Luft-Gemisch (Verbrennungsgemisch) austreten kann, umfassen. Das Verbrennungsgemisch strömt durch die Brennertür in den Brenner und tritt durch den perforierten Bereich in die Brennkammer aus und verbrennt. Der Brenner kann dabei eine Zylinderform oder (Halb-)Kugelform aufweisen oder flach ausgebildet sein.
  • In den perforierten Bereich sind Löcher (Ausströmöffnungen) eingebracht, bevorzugt derart, dass die Ausströmgeschwindigkeit des Brenngas-Luft-Gemisches in den Verbrennungsraum auf die jeweilige (vom Brenngas abhängige) Flammgeschwindigkeit abgestimmt ist. Darüber hinaus ist es wichtig, dass die Flamme mit einem gewissen Abstand zu einer Oberfläche eines Brennerkörpers brennt, um dessen Temperatur niedrig zu halten. Dies ist über einen gesamten Modulationsbereich (Bereich unterschiedlicher einstellbarer Leistung) des Heizgerätes anzustreben. Die Temperatur des Brennerkörpers darf in keinem Fall die Zündtemperatur des Brenngas-Luft-Gemisches erreichen, um ein Rückzünden innerhalb des Brenners (Flammenrückschlag in einen Innenraum des Brennerkörpers) zu verhindern.
  • Wasserstoff unterscheidet sich bei seiner Verbrennung in mehreren Punkten von bisher verwendeten Brenngasen, insbesondere ist eine Wasserstofflamme für das menschliche Auge fast unsichtbar (strahlt aber im ultravioletten Spektralbereich), strahlt weniger Wärme ab als mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen erzeugte Flammen, brennt aber heißer. Die vorliegende Erfindung soll Heizgeräte besonders auch geeignet machen für eine Umstellung auf einen Betrieb mit reinem Wasserstoff oder mit Brenngas, das zu mehr als 50%, insbesondere mehr als 97% aus Wasserstoff besteht.
  • Bei der Konstruktion von Brennerkörpern zu Verbrennung von Wasserstoff oder diesen enthaltenden Brenngasen muss eine erhöhte Flammengeschwindigkeit gegenüber fossilen Brenngasen einbezogen werden, da diese ein Auftreten von Flammenrückschlägen begünstigt. Um dem entgegenzuwirken kann der Brenner mit einem erhöhten Lambda (Verbrennungsluftverhältnis, Luftzahl) betrieben werden. So ist bekannt, dass das Risiko eines Flammenrückschlages mit abnehmendem Lambda, also einer Annäherung an das stöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis (λ=1), ansteigt. Zudem ist die Flammentemperatur bei der Verbrennung von Wasserstoff höher und der Abstand der Flamme zur Brenneroberfläche geringer als bei der Verbrennung von fossilen Brenngasen. Somit können mehrere Faktoren erkannt werden, die eine besondere Bemühung zur Vermeidung von Flammenrückschlägen bei der Verbrennung von Wasserstoff begründen.
  • Allerdings kann bei einer Annäherung des Lambda an das stöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis die Effizienz der Verbrennung und damit des Heizgerätes gesteigert werden. Daher muss bei einem Betreiben eines Heizgeräts, insbesondere mit zumindest anteilig Wasserstoff, eine Abwägung zwischen einer sicheren Verbrennung mit einem möglichst geringen Risiko von Flammenrückschlägen und einer effizienten Verbrennung abgewogen werden.
  • Hierzu wird in der WO 2021/ 140 036 A1 ein Brenner mit einer Brenneroberfläche vorgeschlagen, aufweisend Oberflächenbereiche mit Löchern und Trennungsbereiche, die die Oberflächenbereiche mit Löchern voneinander beabstanden, wobei eine kumulierte Fläche der Löcher weniger als 5,0 % der Brenneroberfläche ist. Die Oberflächenbereiche mit Löchern definieren dabei Reaktionszonen, die ein Ausbreiten der Flamme über die Trennungsbereiche verhindern. Die Möglichkeit einer sicheren Verbrennung ohne Flammenrückschlag wäre jedoch mit noch einem niedrigeren Lambda, als der vorgestellte Brenner ermöglicht, wünschenswert.
  • Auch die WO 2023/ 078 949 A1 beschreibt einen Brenner, der dazu eingerichtet ist, ein wasserstoffhaltiges Brenngas zu verbrennen und der Teil eines Heizgerätes sein kann. Dort wird vorgeschlagen, dass das Material der Brenneroberfläche einen Koeffizient der Wärmeleitfähigkeit von mindestens 80 W/(mK) und ein Elastizitätsmodul von 150 GPa oder weniger aufweist. Jedoch wäre ein Brenner wünschenswert, der eine sichere Verbrennung, ohne Auftreten eines Flammenrückschlages ermöglicht, und zwar insbesondere mit einem noch niedrigeren Lambda als der beschriebene Brenner.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen und insbesondere einen Brenner und ein Heizgerät mit einer niedrigen Flammenrückschlagsgrenze zu schaffen, der mit niedrigem Lambda und somit einer hohen Effizienz der Verbrennung betreibbar ist.
  • Hierzu trägt ein Brenner für ein Heizgerät eingerichtet zur Verbrennung eines Brenngases bei. Der Brenner weist eine Brennzone mit mehrere Ausströmbereichen für das Brenngas mit jeweils einer Vielzahl von Ausströmöffnungen auf, wobei
    • die kumulierte Fläche der Ausströmöffnungen eines Ausströmbereiches mehr als 3 % der kumulierten Fläche aller Ausströmöffnungen der Brennzone beträgt, und
    • der Abstand von einer Ausströmöffnung zur nächstliegenden Ausströmöffnung des gleichen Ausströmbereiches 1 Millimeter [mm] nicht übersteigt.
  • Der Brenner ist dabei für unterschiedliche Heizgeräte, also Geräte zur Heizung und/ oder Warmwasserbereitstellung, einsetzbar, beispielhaft wird ein wandhängendes Heizgerät zur Heizung und Warmwasserbereitstellung genannt. Zur Verbrennung kann dem Heizgerät Verbrennungsluft oder ein Gas mit einem Sauerstoffanteil zugeführt werden. Der Brenner kann unabhängig von der Abgasanlage eingesetzt werden, insbesondere bei einzel- und mehrfachbelegten Abgasanlagen. Der Brenner kann in einer Anordnung als einzelner Brenner oder auch als Bestandteil einer Anordnung mit einer Brennerfunktion eingesetzt werden.
  • Das Heizgerät kann dabei ein teil- oder vollvormischendes Heizgerät sein. Hierzu kann eine Fördereinrichtung des Heizgerätes einem Massestrom Verbrennungsluft über eine Verbrennungsluftzuführung ansaugen und in Richtung einer Brennkammer, in der der Brenner angeordnet ist, fördern. Bei der Fördereinrichtung kann es sich insbesondere um ein Gebläse handeln. Dem angesaugten Massestrom Verbrennungsluft kann entsprechend einem vorgegebenen Verbrennungsluftverhältnis (Lambda) ein Massestrom Brenngas zugesetzt werden und das gebildete Verbrennungsgemisch über einen Gemischkanal dem Brenner zugeführt werden. Es sin verschiedene Verfahren zur Gemischbildung bekannt, insbesondere kann das Heizgerät einen pneumatischen oder elektronischen Gas-Luftverbund bilden. Bei einem pneumatischen Gas-Luftverbund wird ein, einem Steuerdruck in einer Drosselstelle (Venturi) der Verbrennungsluftzuführung entsprechender, Massestrom Brenngas zugesetzt. Ein elektronischer Gas-Luftverbund erfasst direkt oder indirekt, beispielsweise über die Drehzahl der Fördereinrichtung, den zugeführten Massestrom Brenngas und steuert den beizufügenden Massestrom Brenngas. Hierzu weisen die Heizgeräte ein Gasventil auf, das einen Massestrom Brenngas dosieren kann.
  • Das Heizgerät kann verschiedene Betriebspunkte innerhalb eines Modulations- bzw. Leistungsbereiches anfahren und so mit unterschiedlichen Leistungen betrieben werden. Moderne Heizgeräte weisen zur Steigerung der Effizienz und Standzeit häufig einen großen Modulationsbereich auf, beispielsweise von 2,5 Kilowatt [kW] bis 21 kW oder einem Modulationsrate (Verhältnis von maximaler zu minimaler Leistung) von 1 zu 5. Ein großer Modulationsbereich stellt aufgrund sehr unterschiedlicher Ausbildungen und Eigenschaften der Flamme hohe Anforderungen an den Brenner.
  • Das Heizgerät und der Brenner können zu Verbrennung von Wasserstoff oder eines Brenngases mit einem Wasserstoffanteil eingerichtet sein. Wasserstoff als Brennstoff ist aufgrund der Möglichkeit einer nachhaltigen Herstellung vorteilhaft. Der Wasserstoffanteil im Brenngas kann insbesondere mindestens 50 Prozent [%], mindestens 75 % oder insbesondere mindestens 90 % betragen.
  • Der Brenner kann aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt sein. Häufig kommt aufgrund einer guten Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit sowie guter Verfügbarkeit Edelstahl zum Einsatz.
  • Die geometrische Form des Brenners kann dabei eine beliebige Form sein. Insbesondere sind zylinderförmige oder flache Brenner bekannt. Ein Brennerhohlraum kann mit dem Gemischkanal des Heizgerätes verbunden sein, und eintretendes Brenngas kann über in einer Brennzone angeordnete Ausströmöffnungen aus dem Brennerhohlraum in die Brennkammer geleitet werden und verbrennen.
  • Die Brennzone kann als Teilbereich der Brenneroberfläche, eingerichtet das Verbrennungsgemisch der Verbrennung zuzuführen, verstanden werden. Hierfür weist die Brennzone Ausströmöffnungen (Löcher) auf. Die Fläche der Brennzone kann dabei als von den Ausströmöffnungen umrissene Fläche angesehen werden, also der kleinsten zusammenhängenden Fläche, in der alle Ausströmöffnungen angeordnet sind. Die Brennzone kann dabei eine monolithische Einheit mit dem Brennerkörper bilden oder lösbar, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung, mit diesem verbunden sein.
  • Dabei kann die Brennzone eine, zumindest weitgehend flache (ebene) oder auch eine dreidimensionale Form aufweisen. Eine dreidimensionale Form kann dabei in einer Erhöhung oder Vertiefung gegenüber dem Brennerkörper oder einer anderen Form, beispielsweise einer Auswölbung bestehen.
  • Die Brennzone und der Brennerkörper können dabei die gleiche Materialstärke (Dicke) aufweisen und in einem bekannten Bereich liegen. Es sind, insbesondere bei einer lösbar mit dem Brennerkörper verbundenen Brennzone, auch unterschiedlich Materialstärken von Brennzone und Brennerkörper denkbar.
  • Die Brennzone umfasst mehrere Ausströmbereiche für das Brenngas in denen die Ausströmöffnungen angeordnet sind. Es wird vorgeschlagen, dass die kumulierte (aufsummierte) Fläche der Ausströmöffnungen eines Ausströmbereiches mehr als 3 Prozent [%] und weniger als 12,5 Prozent der kumulierten Fläche aller Ausströmöffnungen der Brennzone beträgt. Es wurde festgestellt, dass mit dem vorgeschlagenen Flächenverhältnis eine verbesserte Kühlung bzw. Wärmableitung vom Brenner erreicht werden kann.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann der minimale Abstand zwischen zwei Ausströmbereichen mindestens 3 Millimeter [mm] und nicht mehr als 100 Millimeter betragen.
  • Zudem ist der Abstand von einer Ausströmöffnung zur nächstliegenden Ausströmöffnung des gleichen Ausströmbereiches weniger als 1 Millimeter [mm]. Der Abstand sollte jedoch eine mechanische Stabilität der Ausströmöffnungen gewährleisten.
  • Die Ausströmöffnungen können dabei eine beliebige Form aufweisen, insbesondere werden hier eine kreisrunde, rechteckige, quadratische Form oder die Form eines Langloches genannt. Es ist dabei auch möglich unterschiedliche Formen innerhalb eines Ausströmbereiches zu kombinieren.
  • Auch die Anordnung der Ausströmöffnungen innerhalb eines Ausströmbereiches ist beliebig. Eine geometrische Form des Ausströmbereiches, als äußere Kontur aller Ausströmöffnungen des Ausströmbereiches kann beispielhaft eine rechteckige, quadratische, annähernd kreisrunde, ovale oder auch die Form eines Rhombus oder Vieleckes sein. Die Ausrichtung von nicht rotationssymmetrischen Aufnahmebereichen bezogen auf eine Ausrichtung der Brennzone kann dabei gleichfalls variiert werden. Gemeinhin sollte die Anordnung der Ausströmöffnungen innerhalb eines Ausströmbereiches zumindest näherungsweise gleichverteilt sein.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann die kumulierte Fläche aller Ausströmöffnungen eines Ausströmbereiches kleiner 90 Quadratmillimeter [mm2], bevorzugt kleiner als 30 mm2 sein.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann die jeweilige einzelne Fläche aller Ausströmöffnungen kleiner 2,5 mm2, insbesondere kleiner 0,5 mm2 sein.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann die Brennzone mindestens 8 Ausströmbereiche aufweisen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann jeder Ausströmbereich mindestes 4 Ausströmöffnungen aufweisen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann der Brenner eine Flammensperre aufweisen. Diese kann zwischen der Brenneroberfläche und dem Gemischkanal angeordnet sein und aus einem bekannten Material bestehen. Eine Flammensperre kann das Risiko eines Flammenrückschlages weiter minimieren.
  • Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Heizgerät vorgeschlagen, aufweisend einen hier vorgestellten Brenner. Das Heizgerät kann insbesondere zur Verbrennung von Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas eingerichtet sein.
  • Hier werden somit ein Brenner für ein Heizgerät und ein Heizgerät vorgeschlagen, welche die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere ermöglichen der Brenner und das Heizgerät ein robustes Betreiben des Heizgerätes bei gleichzeitiger Steigerung der Effizienz des Betriebes. Insbesondere kann ein Brenner mit einer geminderten Flammenrückschlagsgrenze vorgeschlagen werden, der einen sicheren Betrieb mit geringerem Lambda gegenüber bekannten Brennern ermöglicht.
  • So wurde festgestellt, dass die Ausbildung von größeren Ausströmbereichen mit einer vergrößerten Anzahl von Ausströmöffnungen die Temperatur der Brennzone und des Brennkörpers signifikant gemindert werden, und einhergehend die Flammenrückschlagsgrenze gesenkt werden kann.
  • Weiter vorteilhaft kann der Brenner problemlos auch an bestehenden Heizgeräten nachgerüstet werden.
  • Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
    • Fig. 1:
    ein hier vorgeschlagenes Heizgerät,
    Fig. 2:
    einen Ausströmbereich eines hier vorgeschlagenen Brenners,
    Fig. 3:
    eine Ausgestaltung einer Brennzone,
    Fig. 4:
    eine alternative Ausgestaltung einer Brennzone,
    Fig. 5:
    Verläufe von Flammenrückschlagsgrenzen von Brennern mit unterschiedlichen Brennzonen, und
    Fig. 6 a)-c):
    Anordnungen von Ausströmöffnungen innerhalb eines Ausströmbereiches.
  • Fig. 1 zeigt beispielhaft und schematisch ein hier vorgeschlagenes Heizgerät 1. Dieses kann über eine Verbrennungsluftzuführung 4 Verbrennungsluft durch eine Fördereinrichtung 2 ansaugen und über ein Gasventil 5 ein Brenngas aus einer Gaszuführung 13, beispielsweise Wasserstoff, dem angesaugten Massestrom Verbrennungsluft zusetzen. Das Verbrennungsgemisch aus Brenngas und Verbrennungsluft kann nunmehr über einen Gemischkanal 11 einem, in einer Brennkammer 8 angeordneten, Brenner 3 zugeführt werden. Der Brenner 3 kann an einer Brennertür 6 befestigt sind und mit dem Gemischkanal 11 derart verbunden sein, dass Verbrennungsgemisch in einen, von einem Brennerkörper 14 umgebenen Brennerhohlraum strömen kann. Anschließend kann das Verbrennungsgemisch über eine Brennzone 15 des Brenners 3 austreten und verbrannt werden.
  • Die Verbrennungsprodukte können über ein Abgasrohr 9 aus der Brennkammer 8 einer Abgasleitung (Abgasanlage) 10 zugeführt werden. Dan der Brennertür 6 kann auch eine Flammenüberwachung 12 angeordnet sein kann, beispielsweise ein UV-Sensor. Der UV-Sensor kann, vor den hohen Temperaturen des Brenners 3 geschützt, außerhalb der Brennkammer 8 angeordnet sein. Das Heizgerät 1 kann zudem ein Regel- und Steuergerät 7 aufweisen. Das Heizgerät 1 kann insbesondere zur Verbrennung von Wasserstoff als Brennstoff eingerichtet sein. Hierfür kann der Brenner 3 einen zur Verbrennung von Wasserstoff geeigneten Brennerkörper 14 mit einer Brennzone 15 aufweisen.
  • Fig. 2 zeigt ebenfalls beispielhaft und schematisch einen Ausströmbereich 16 der Brennzone 15. Diese kann 46 Ausströmöffnungen 17 umfassen, die eine kreisrunde Form haben können, und eine geometrische Form 20 bilden. Die Ausströmöffnungen 17 können einen Durchmesser 18 aufweisen und mit einen Abstand 19 zur nächstliegenden Ausströmöffnung 17 kleiner 1 mm angeordnet sein.
  • Fig. 3 zeigt ebenfalls beispielhaft und schematisch eine Brennzone 15 mit 28 Ausströmbereichen 16 gemäß der Fig. 2. Die Ausströmbereiche 16 können dabei symmetrische bezogen auf eine erste Achse 26 und eine zweite Achse 27 der Brennzone 15 angeordnet sein. Die Brennzone 15 kann einen Flansch 28 zur Befestigung an einem Brennerkörper 14 mit Löchern 21 für eine Schraubverbindung mit dem Brennerkörper 14 umfassen. Beispielhaft kann der Durchmesser 18 0,8 mm betragen und der Abstand 19 0,4 mm.
  • Fig. 4 zeigt beispielhaft und schematisch eine alternative Ausgestaltung einer Brennzone 15. Diese umfasst gleichfalls 28 Ausströmbereiche 16 die symmetrisch bezogen auf eine erste Achse 26 und eine zweite Achse 27 der Brennzone 15 angeordnet sind. Die Ausströmöffnungen 17 der Aufnahmebereiche 16 sind hier in einer näherungsweise kreisrunden geometrischen Form 20 angeordnet.
  • Fig. 5 zeigt beispielhaft vier Verläufe 22, 23, 24, 25 einer Flammenrückschlagsgrenze unterschiedlicher Brenner 3 mit Brennzonen 15. Es wird als Flammenrückschlagsgrenze die minimal mögliche Wärmeleistung ohne Auftreten eines Flammenrückschlages in Abhängigkeit des Lambda angegeben In nachfolgender Tabelle sind Eigenschaften der entsprechenden Brennzonen 15 der den Verläufen 22, 23, 24, 25 zuzuordnenden Brenner 3 gegeben:
    Verlauf 22 23 24 25
    Brennzone flach flach gewölbt gewölbt
    Summe Fläche aller Auströmöffnungen 400 mm2 400 mm2 520 mm2 520 mm2
    Durchmesser Ausströmöffnung 0,6 mm 0,6 mm 0,6 mm 0,6 mm
    Geometrische Form Ausströmbereich Rhombus Quadrat Sechseck Quadrat
    Ausströmöffnungen pro Ausströmbereich 12 49 div. 7/19/37 64
    Anzahl Ausströmbereiche 118 29 100 29
    Fläche von einem Ausströmbereich/ Gesamtfläche aller Ausströmöffnungen 0,8% 3,4% 1% 3,4%
    Flammenrückschlagsgrenze bei Lambda = 1,3 5,4 kW 3,5 kW 10 kW 6,2 kW
  • So weisen die Brennzonen 15 zu den Verläufen 22 und 23 die gleiche Summe der Fläche aller Ausströmöffnungen 17 auf. Durch eine Anordnung der Ausströmöffnungen 17 gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei dem Brenner 3 gemäß Verlauf 23 eine deutlich niedrigere Flammenrückschlagsgrenze bei Lambda = 1,3 von 3,5 kW gegenüber dem Brenner 3 gemäß Verlauf 22, der bei gleichem Lambda =1,3 eine Flammenrückschlagsgrenze von 5,4 kW hat. Somit kann ein Heizgerät 1, ausgerüstet mit dem Brenner 3 und einer Brennzone 15 gemäß dem Verlauf 23 eine effizientere Verbrennung durch ein Absenken des Lambda ermöglichen.
  • Analog weisen die Brennzonen 15 gemäß den Verläufen 24 und 25 die gleiche Summe der Flächen aller Ausströmöffnungen 17 auf. Die Brennzonen 15 gemäß den Verläufen 24 und 25 sind nach außen gewölbt, beispielsweise mit einer weitestgehend kreisrunden (hemisphärischen) Wölbung mit einem Durchmesser im Bereich der Ausdehnung der Brennzone 15 in Richtung der zweiten Achse 27. Der Brenner 3 gemäß Verlauf 24 weist dabei Ausströmbereiche 16 mit einer geometrischen Form 20 eines Sechseckes mit 7, 19 oder 37 Ausströmöffnungen 17 auf. Der Brenner 3 gemäß Verlauf 25 kann, aufgrund einer Anordnung der Ausströmöffnungen 17 gemäß der vorliegenden Erfindung, die Flammenrückschlagsgrenze auf 6,2 kW gegenüber 10 kW des Brenners 3 gemäß Verlauf 24 senken.
  • Die Erfindung ermöglicht somit ein Absenken der Flammenrückschlagsgrenze einer Brennzone 15 eines Brenners 3 bei der Verbrennung von Wasserstoff und damit verbunden wird ermöglicht einen Brenner 3 gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem geringeren Lambda zu betreiben. Dies kann die Effizienz der Verbrennung steigern und den Wasserstoffverbrauch senken.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Heizgerät
    2
    Fördereinrichtung
    3
    Brenner
    4
    Verbrennungsluftzuführung
    5
    Gasventil
    6
    Brennertür
    7
    Regel- und Steuergerät
    8
    Brennkammer
    9
    Abgasrohr
    10
    Abgasanlage
    11
    Gemischkanal
    12
    Flammenüberwachung
    13
    Gaszuführung
    14
    Brennerkörper
    15
    Brennzone
    16
    Ausströmbereich
    17
    Ausströmöffnung
    18
    Durchmesser
    19
    Abstand
    20
    Geometrische Form
    21
    Loch Schraubverbindung
    22
    Erster Verlauf
    23
    Zweiter Verlauf
    24
    Dritter Verlauf
    25
    Vierter Verlauf
    26
    Erste Achse
    27
    Zweite Achse
    28
    Flansch

Claims (12)

  1. Brenner (3) für ein Heizgerät (1), eingerichtet zur Verbrennung eines Brenngases, aufweisend eine Brennzone (15) mit mehreren Ausströmbereichen (16) für das Brenngas mit jeweils einer Vielzahl von Ausströmöffnungen (17), wobei
    - die kumulierte Fläche der Ausströmöffnungen (17) eines Ausströmbereiches (16) mehr als 3 % und weniger als 12,5 % der kumulierten Fläche aller Ausströmöffnungen (17) der Brennzone (15) beträgt, und
    - der Abstand von einer Ausströmöffnung (17) zur nächstliegenden Ausströmöffnung (17) des gleichen Ausströmbereiches (16) kleiner 1 mm ist.
  2. Brenner (3) nach Anspruch 1, wobei die Brennzone (15) der kleinsten zusammenhängenden Fläche entspricht, in der alle Ausströmöffnungen (17) angeordnet sind.
  3. Brenner (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der minimale Abstand zwischen zwei Ausströmbereichen (16) mindestens 3 mm beträgt.
  4. Brenner (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die kumulierte Fläche aller Ausströmöffnungen (17) eines Ausströmbereiches (16) kleiner 30 mm2 ist.
  5. Brenner (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fläche einer Ausströmöffnung (17) kleiner 0,5 mm2 ist.
  6. Brenner (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Brennzone (15) mindestens 8 Ausströmbereiche (16) aufweist.
  7. Brenner (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder Ausströmbereich (16) mindestes 4 Ausströmöffnungen (17) aufweist.
  8. Brenner (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ausströmöffnungen (17) eine kreisrunde, rechteckige, quadratische Form oder die Form eines Langloches aufweisen
  9. Brenner (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Brennzone (15) eine ebene oder dreidimensionale Form hat.
  10. Brenner (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Brennzone (15) lösbar mit dem Brennerkörper (14) verbunden ist.
  11. Brenner (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Brenner (3) eine Flammensperre aufweist.
  12. Heizgerät (1), aufweisend einen Brenner (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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