EP4491946A1 - Brennervorrichtung, wärmeerzeuger, heizungsanlage und brauchwasserversorgungsanlage - Google Patents

Brennervorrichtung, wärmeerzeuger, heizungsanlage und brauchwasserversorgungsanlage Download PDF

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EP4491946A1
EP4491946A1 EP24183593.3A EP24183593A EP4491946A1 EP 4491946 A1 EP4491946 A1 EP 4491946A1 EP 24183593 A EP24183593 A EP 24183593A EP 4491946 A1 EP4491946 A1 EP 4491946A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
flame body
air
burner device
flow channel
Prior art date
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Pending
Application number
EP24183593.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Konrad Ritter
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.)
Viessmann Holding International GmbH
Original Assignee
Viessmann Climate Solutions SE
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Filing date
Publication date
Application filed by Viessmann Climate Solutions SE filed Critical Viessmann Climate Solutions SE
Publication of EP4491946A1 publication Critical patent/EP4491946A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D14/00Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D14/00Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46Details
    • F23D14/62Mixing devices; Mixing tubes
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D14/00Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46Details
    • F23D14/72Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
    • F23D14/82Preventing flashback or blowback
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D2203/007Mixing tubes, air supply regulation
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    • F23D2203/00Gaseous fuel burners
    • F23D2203/10Flame diffusing means
    • F23D2203/101Flame diffusing means characterised by surface shape
    • F23D2203/1012Flame diffusing means characterised by surface shape tubular
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    • F23D2203/102Flame diffusing means using perforated plates
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    • F23D2209/10Flame flashback
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D2900/00Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/14Special features of gas burners
    • F23D2900/14641Special features of gas burners with gas distribution manifolds or bars provided with a plurality of nozzles

Definitions

  • the present invention relates to a burner device, a heat generator with a burner device and a heating system as well as a domestic water supply system, each with a heat generator.
  • Burner devices for use in heat generators are known from the prior art, in which an air-fuel mixture is premixed and then burned on a combustion surface of a flame body in order to provide thermal energy for further use, for example for heating a fluid.
  • the usually gaseous fuel and air are first fed to a mixing area and mixed there before the resulting air-fuel mixture is fed to the combustion surface, from which a burner flame of the burner device extends.
  • Premixing offers the advantage that the composition of the air-fuel mixture can be adjusted to the desired composition for combustion when it reaches the combustion surface in order to ensure, among other things, complete combustion of the fuel and thus a particularly high level of efficiency.
  • a disadvantage of this procedure is that the air-fuel mixture occupies a not negligible volume within the burner device before combustion and thus there is a risk of flashback, in which the burner flame flashes back into the mixing area.
  • flame arresters take up a lot of space and reduce the efficiency of the burner device, as they not only prevent the mixing of air and fuel, but also introduce additional flow resistance, which must be compensated by increasing the supply pressures of air and/or fuel.
  • This phenomenon of flashback is particularly critical in the case of the recently planned use of hydrogen-containing fuel, in particular in burner devices used in heating systems or domestic water supply systems.
  • Hydrogen has a higher flame propagation speed than conventionally used fossil fuels, so that burners that previously only ran on fossil fuels cannot easily be converted to hydrogen-containing fuel.
  • the currently available burner devices are not suitable for use with hydrogen-containing fuel
  • the present invention is therefore based on the object of creating an improved possibility for combustion-based heat generation and use compared to the prior art, which allows reliable, efficient and above all safe operation, especially with hydrogen-containing fuels, even without the use of a flame arrester in the burner device.
  • a burner device according to claim 1 is provided and, based thereon, a heat generator according to claim 13, a heating system according to claim 14 and a service water supply system according to claim 15 are provided.
  • a burner device for providing thermal energy by combustion of an air-fuel mixture, wherein the fuel contains in particular hydrogen.
  • the burner device comprises a generally cylindrically shaped flame body, which has an outer combustion surface formed on a cylinder jacket of the flame body, on which the combustion of the air-fuel mixture takes place, wherein the combustion surface is connected via through openings in the cylinder jacket to an interior space at least partially enclosed by the flame body.
  • the burner device comprises a fuel supply device arranged at least partially in the interior space for introducing fuel into a mixing region for mixing the fuel with air to form the air-fuel mixture, wherein the mixing region in the interior space between the fuel supply device and the flame body, and a flow channel running centrally in the interior along a longitudinal central axis of the flame body for supplying air into the mixing region, which is at least partially enclosed by the fuel supply device.
  • the hydrogen-containing fuel is not understood to mean a fuel that contains hydrogen only in combination with other atoms, for example hydrocarbons, but actual fuels that contain a certain proportion of elemental hydrogen (H 2 ).
  • the proportion of hydrogen is preferably between 10 and 100 vol.%, particularly preferably between 30 and 80 vol.%.
  • the proportion of hydrogen can ideally be selected according to the area of application of the burner device.
  • the cylindrically shaped flame body which is in particular a circular cylindrically shaped flame body, extends along the longitudinal central axis of the flame body.
  • the longitudinal central axis of the flame body is to be understood as a longitudinal axis running through the middle of the interior, which is surrounded by the cylinder jacket of the flame body that functions as the combustion surface, wherein the longitudinal central axis runs essentially parallel to the cylinder jacket, i.e. basically parallel to the above-mentioned path along which extrusion takes place.
  • the flame body is preferably designed in such a way that the through-openings for connecting the mixing area and the combustion surface run at an angle, in particular at a right angle to the longitudinal central axis.
  • the longitudinal central axis of the flame body would therefore correspond to a central axis that is perpendicular to the discharge directions of the air-fuel mixture onto the combustion surface.
  • a radial direction of the flame body is to be understood below as referring to said longitudinal central axis.
  • the implementation according to the invention with a flow channel running centrally within the flame body creates a possibility for transporting the air required for combustion over large areas of the flame body, in which the air can flow unhindered along the longitudinal center axis, which is preferably also the main flow direction of the flow channel, even to more distant areas of the flame body, without mixing with the fuel.
  • the situation is different, for example, with the burner device of the EP 4 141 321 A1 , in which the air spreads continuously from one end of the interior to the other. This mixes increasingly with the fuel, which leads to a sometimes strongly fluctuating fuel or air content in the air-fuel mixture in the interior.
  • the areas of the burner device that are far from the air inlet point are EP 4 141 321 A1 only insufficiently supplied with air, so that a comparatively rich mixture is present
  • the feature of the enclosing fuel supply device is to be understood in such a way that this or parts of it do not extend into the central flow channel and would act there as flow resistances that would impede the air flow in the flow channel.
  • the flow channel essentially has an oval or circular cross-section in relation to a cross-sectional plane running perpendicular to the longitudinal center axis of the flame body, into which parts of the fuel supply device do not protrude. Deviations from the said cross-sectional shapes are certainly possible.
  • the enclosure feature does not exclude the use of an additional flow wall that is not part of the fuel supply device, as long as the flow channel is surrounded by the fuel supply device
  • the fuel supply device which preferably surrounds the flow channel radially with respect to the longitudinal center axis, at least partially separates the mixing region from the flow channel.
  • the air By separating the mixing area, the air can be directed unhindered and "unmixed" into the areas of the interior that are remote from the inlet side, so that there are no rich mixtures there, for example, and the volume fraction of combustible air-fuel mixture to the total volume of the interior can be kept low.
  • a ratio of a cross-sectional area of the flow channel to a cross-sectional area of the entire interior is greater than or equal to 20%, more preferably greater than or equal to 30% and particularly preferably greater than or equal to 50%.
  • a ratio of a radial distance between the fuel supply device and the flame body across the mixing region to half the diameter of the interior is less than or equal to 40%, more preferably less than or equal to greater than or equal to 20% and particularly preferably greater than or equal to 15%.
  • the mixing area takes up comparatively little volume in the interior, so that the amount of air-fuel mixture in the interior that could be ignited by a potential flashback is comparatively small.
  • the length of a mixing path for air and fuel between the fuel supply device or an outlet opening thereof and the flame liner is particularly short, which is particularly suitable when using hydrogen-containing fuel, since the risk of flashback can thus be significantly reduced.
  • a deflection region is formed in the interior between a front end section of the flame body and the fuel supply device, via which the air flowing through the flow channel can be deflected into the mixing region.
  • the front end section refers to the end of the flame liner that is opposite the end of the flame liner where the air and/or fuel are supplied (inlet end or side) across the longitudinal center axis. In other words, this corresponds to the end that is the furthest away from the inlet end.
  • the deflection area allows air to be supplied to the mixing area even at the end remote from the inlet end, which has the maximum distance to said inlet end. Provision of the air-fuel mixture so that a lean air-fuel mixture is mixed over the entire length of the flame body.
  • the flow channel is separated from the mixing region in the radial direction of the flame body by the fuel supply device.
  • the fuel supply device comprises a double-walled cylinder arranged at least partially in the interior with a radially inner and a radially outer cylinder wall, between which a flow path for the fuel is formed, and wherein the radially inner cylinder wall is a flow wall of the flow channel.
  • This provides a comparatively simple and cost-effective way of implementing a fuel supply device, which simultaneously functions as a flow wall for the flow channel and completely separates it from the mixing area in the radial direction of the flame body.
  • the double-walled cylinder preferably has a plurality of outlet openings distributed over the radially outer cylinder wall, through which the fuel flowing between the cylinder walls is introduced into the mixing area.
  • the radially inner and/or the radially outer cylinder wall has a circular cross-sectional shape with respect to a cross-sectional plane running perpendicular to the longitudinal center axis of the flame body.
  • the fuel supply device comprises a plurality of supply lines which are arranged around the flow channel at a distance from the longitudinal center axis of the flame body, in particular they are arranged evenly around the flow channel
  • the plurality of supply lines comprises between 4 and 24 supply lines, each of which may have a circular or non-circular cross-section, for example polygonal, oval or elliptical, relative to the cross-sectional plane already mentioned several times.
  • Each supply line has a plurality of outlet openings to the mixing area through which the fuel is introduced into it.
  • the supply lines are arranged in particular parallel to the longitudinal central axis in order to provide a constant flow cross-section of the central flow channel running between the individual supply lines over the longitudinal central axis.
  • adjacent supply lines can be connected to one another in order to create a flow channel separated from the mixing area.
  • adjacent supply lines are separated from each other by a spacer area, which in turn connects the central flow channel for gas passage with the mixing area.
  • part of the air flowing through the flow channel can flow out of the channel into the mixing area, so that along the longitudinal center axis, air is continuously supplied from the flow channel, in which the air flows unhindered in the main flow direction, to the mixing area in order to provide sufficient air for a lean air-fuel mixture.
  • At least one, in particular all, supply lines of the plurality of supply lines is a non-circular supply line, such that it has a cross-sectional shape with respect to a cross-sectional plane running perpendicular to the longitudinal central axis of the flame body, the extent of which along a first main axis is greater than the extent of which along a second main axis that is at an angle, in particular perpendicular, to the first main axis, in particular the at least one supply line has an elliptical cross-sectional shape.
  • the at least one non-circular supply line of the plurality of supply lines is arranged such that the first main axis runs in the radial direction of the flame body.
  • the distance between adjacent feed lines can be increased to allow more air to be introduced into the mixing area along the length of the longitudinal center axis.
  • the distance between the feed lines and the flame gauze can be reduced to reduce the length of the mixing path. This allows a lean air-fuel mixture to be provided while reducing the risk of flashback.
  • the fuel supply device comprises outlet nozzles for the fuel, which protrude radially outwards in the direction of the flame body from a main surface of the fuel supply device adjacent to the mixing region, such that a distance between openings of the outlet nozzles and the flame body is smaller than a distance between the main surface and the flame body.
  • the distance to the flame body can be reduced without reducing the mixing area excessively, which beyond a certain point would only lead to an insufficient air supply to provide the air-fuel mixture.
  • an outer contour of the fuel supply device adjacent to the mixing region has a groove running along the longitudinal center axis of the flame body, within which outlet openings for the fuel are arranged.
  • the groove provides a recess on the fuel supply device through which the outlet opening is at least partially shielded from an air flow passing directly over it. This allows the fuel to be introduced in a targeted manner without disruption. Furthermore, the groove prevents any backfire from spreading through the entire mixing area.
  • Said outlet nozzles and/or said groove can be used both in the preferred embodiment with double-walled cylinders and with the plurality of supply lines of the fuel supply device.
  • a heat generator for transferring thermal energy to a fluid, in particular for use in a heating system or in a domestic water supply system, wherein the heat generator comprises at least one burner device according to the first aspect or a preferred embodiment thereof and a heat exchanger coupled to the burner device, via which heat energy provided by the burner device can be transferred to the fluid.
  • the particularly efficient and safe burner device can be used to heat any fluid, which in turn can be used in numerous other systems.
  • the advantages already described for the burner device also apply to the heat generator that includes it, which enables efficient and safe combustion, particularly in the case of hydrogen-containing fuel, which in the case of the heat generator is synonymous with efficient and safe heating of the fluid in question.
  • the heat exchanger can be a surface, fin or spiral coil heat exchanger.
  • a heating system for heating a building which comprises at least one line system for transporting a fluid energy transport medium and a heat generator according to the second aspect of the invention, which is designed to heat the energy transport medium to be transported through the line system.
  • a domestic water supply system for supplying domestic water which comprises at least one pipe system for transporting the domestic water and a heat generator according to the second aspect of the invention, which is designed to heat the domestic water to be transported through the pipe system.
  • Fig. 1 shows a perspective view of the burner device 100 according to the invention, without showing its inner workings.
  • Fig. 2A to 5B referred to.
  • the combustion device 100 comprises a flame body 1, on the combustion surface of which the combustion of an air-fuel mixture takes place.
  • the fuel is supplied via a fuel source 200 and the air via a blower 4, with a housing 5 of the burner device 100 forming a channel for supplying the air to the flame body 1.
  • the fuel and air are then mixed in an interior space at least partially enclosed by the flame body 1, before the mixture flows through through openings onto the combustion surface.
  • Fig. 2A and 2B show sectional views of a first embodiment of the burner device 100 according to the invention.
  • Fig. 2A shows a longitudinal section and Fig. 2B an orthogonal cross-section in the plane AA.
  • the burner device 100 comprises a substantially circular-cylindrical flame body 1, which partially encloses a likewise circular-cylindrical interior space 11, such that the flame body 1 is open at an inlet side 12 for fuel B and air L and is closed at the opposite end section 13.
  • the circular cylindrical flame body 1 extends from the inlet side 12 along its longitudinal center axis 14, i.e. its central longitudinal axis, to the said front end section 13.
  • the interior 11 is connected via a plurality of through openings 16 to an outer combustion surface 17 on the cylinder jacket of the flame body 1, on which the combustion of the air-fuel mixture takes place, which exits through the through openings 16 from the mixing region 15 located in the interior 11.
  • the air-fuel mixture is mixed from air L and fuel B before exiting onto the combustion surface 17.
  • the burner device 100 comprises a fuel supply device 2, which is arranged at least partially in the interior 11 and which is designed to introduce fuel B into the mixing region 15, which is formed in the interior 11 between the fuel supply device 2 and the flame body 1, more precisely between the double-walled cylinder 22 encompassed by the fuel supply device 2 and the casing body of the flame body 1.
  • the double-walled cylinder 22 serves to transport the fuel B within the interior space 11 and forms a fuel channel between a radially inner cylinder wall 22a and a radially outer cylinder wall 22b.
  • the cylinder 22 is designed in such a way that fuel B flowing into the fuel channel from the inlet side 12 passes through outlet openings 26 provided in the radially outer cylinder wall 22a into the mixing region 15 and mixes there with the air L introduced.
  • the outlet openings 26 are arranged on a main surface 21 of the fuel supply device 2 or the double-walled cylinder 22 adjacent to the mixing area, in a line with the through-openings 16 of the flame body 1, so that the fuel B can flow along this line (mixing path) and thereby pulls the air L present in the mixing area 15 along with it and mixes with it in the process.
  • the fuel B is supplied via a distributor device 25 of the fuel supply device 2 arranged on the inlet side 12, which in turn is connected via a supply line to a fuel source 200, for example a fuel reservoir, tank or supply network.
  • the distributor device 25 ensures an even distribution of the fuel B between the cylinder walls 22a, 22b.
  • the burner device 100 comprises a flow channel 3 running centrally in the interior 11 along the longitudinal central axis 14 of the flame body 1 for supplying air L into the mixing region 15, which is radially enclosed by the fuel supply device 2 or by the radially inner cylinder wall 22b of the double-walled cylinder 22, so that the flow channel 3 itself is separated from the mixing region 15 in the radial direction.
  • part of the air L supplied at the inlet side 12 can flow to the end section 13 of the flame body 1 without coming into contact with fuel B.
  • the radially inner cylinder wall 22b therefore functions as the flow wall of the flow channel 3.
  • a deflection region 30 is provided between the fuel supply device 2 or between the double-walled cylinder 22 and the end section 13 of the flame body.
  • the combustion device 100 comprises a second flow channel in the interior 11, which is formed between the radially outer cylinder wall 22a and the flame body 1 on the side of the inlet side 12.
  • the air L is supplied via the two flow channels at both axial ends of the mixing area 15, so that a sufficient air supply is made possible at various points in the mixing area 15 and thus not only "rich” mixtures can be avoided, but also a particularly homogeneous air-fuel mixture can be achieved along the longitudinal center axis 14, i.e. the smallest possible fluctuations in the concentration of the fuel in the air-fuel mixture (avoiding local over-richness).
  • the structure shown is particularly suitable for use with hydrogen-containing fuel, since it can reduce the risk of flashback (as in the general part of the description) and also provides sufficient air to avoid a mixture that is too "rich” over the entire mixing area 15.
  • Fig. 3A and 3B show sectional views of a second embodiment of the burner device 100 according to the invention.
  • Fig. 3A shows a longitudinal section and Fig. 3B an orthogonal cross-section in the plane BB.
  • the basic structure of the flame body 1 corresponds essentially to that of Fig. 2A and 2B so that it is not written to again.
  • the difference from the first embodiment is the implementation of the fuel supply device 2 with a plurality of supply lines 23a instead of the double-walled cylinder 22.
  • the twelve supply lines 23a of the fuel supply device 2 in this case extend from the distributor device 25 in the direction of the end section 13 and are arranged at a distance from the longitudinal center axis 14 of the flame body 1 around the central flow channel 3.
  • the supply lines 23a thus only partially enclose the flow channel 3 in the radial direction, since adjacent supply lines 23 are arranged at a distance from one another with a spacing region 24 in between, which connects the central flow channel 3 with the mixing region 15.
  • the supply lines 23 have a non-circular cross-sectional shape with respect to the cross-sectional plane (see Fig. 3B ), in this case an elliptical shape.
  • Other cross-sectional shapes are shown in Fig. 3C and show, from left to right, a polygonal cross-sectional shape 23b in the form of a square, a cross-sectional shape as a circular ring segment 23c and a circular cross-sectional shape 23d.
  • the supply lines 23a are arranged in the interior in such a way that the semi-axis with maximum extension of the elliptical shape is aligned in the radial direction of the flame body 1 and the semi-axis with minimum extension of the elliptical shape runs in the tangential direction of the flame body 1 (see Fig. 3B ).
  • the distance range 24 between adjacent supply lines 23a can be increased in order to allow more air L to enter the mixing area 15 over the length of the longitudinal center axis 14 without reducing the effective flow area of a supply line 23a, for example in comparison to a circular cross-sectional shape 23d.
  • the distance between the supply lines 23a and the flame body 1 can be reduced in order to reduce the length of the mixing path.
  • the distribution device 25 is designed in a circular ring shape with respect to the cross-sectional plane perpendicular to the longitudinal central axis 14 in order to create a passage for the air L to the flow channel 3 in the middle.
  • Fig. 4 shows a section in the region of a fuel outlet in the mixing region 15 of a third embodiment of the burner device 100 according to the invention.
  • the fuel supply device 2 comprises outlet nozzles 27 for the fuel B, which protrude radially outwards in the direction of the flame body 1 from a main surface 21 of the fuel supply device 2 adjacent to the mixing region 15, such that a distance D2 between openings of the outlet nozzles 27 and the flame body 1 is smaller than a distance D1 between the main surface 21 and the flame body 1.
  • the distance to the flame body 1, i.e. the mixing path can be shortened without reducing the mixing area excessively, which beyond a certain point would only lead to an insufficient air supply to provide the air-fuel mixture.
  • Fig. 5A shows a section in the area of a fuel outlet in the mixing area 15 of a fourth embodiment of the burner device 100 according to the invention with a cross section orthogonal thereto in the plane CC in Fig. 5B .
  • the outer contour of the fuel supply device 2 adjacent to the mixing area 15 has a groove 28 running along the longitudinal center axis 14 of the flame body 1, within which outlet openings 26 for the fuel B are arranged.
  • the groove 28 is designed as wall elements protruding from the main surface 21 adjacent to the mixing area 15.
  • the groove 28 provides a shielding area through which the outlet openings 26 are at least partially shielded from an air flow passing directly over them. This allows the fuel B to be introduced in a targeted manner without disruption. Furthermore, the groove 28 prevents any flashback flame from spreading through the entire mixing area 15.

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Abstract

Die Erfindung stellt eine Brennervorrichtung 100 zur Bereitstellung von Wärmeenergie durch Verbrennung eines Luft-Brennstoff-Gemischs, wobei der Brennstoff B insbesondere Wasserstoff enthält, bereit Die Brennervorrichtung 100 umfasst einen allgemein zylindrisch geformten Flammkörper 1, der eine auf einem Zylindermantel des Flammkörpers 1 ausgebildete äußere Brennfläche 17 aufweist, auf der die Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemischs erfolgt, wobei die Brennfläche 17 über Durchgangsöffnungen 16 im Zylindermantel mit einem zumindest teilweise vom Flammkörper 1 umschlossenen Innenraum 11 verbunden ist Ferner umfasst die Brennervorrichtung 100 eine im Innenraum 11 zumindest teilweise angeordnete Brennstoffzuführungseinrichtung 2 zum Einleiten von Brennstoff in einen Mischbereich 15 zum Mischen des Brennstoffs B mit Luft L zum Luft-Brennstoff-Gemisch, wobei der Mischbereich 15 im Innenraum 11 zwischen der Brennstoffzuführungseinrichtung 2 und dem Flammkörper 1 ausgebildet ist, und einen im Innenraum 11 entlang einer Längsmittelachse 14 des Flammkörpers 1 mittig verlaufenden Strömungskanal 3 zum Zuführen von Luft in den Mischbereich 15, der zumindest teilweise von der Brennstoffzuführungseinrichtung 2 umschlossen ist.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennervorrichtung, einen Wärmeerzeuger mit einer Brennervorrichtung und eine Heizungsanlage sowie eine Brauchwasserversorgungsanlage jeweils mit einem Wärmeerzeuger.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Aus dem Stand der Technik sind Brennervorrichtungen zum Einsatz in Wärmeerzeugern bekannt, bei denen ein Luft-Brennstoff-Gemisch vorgemischt wird und anschließend auf einer Brennfläche eines Flammkörpers verbrannt wird, um so Wärmeenergie zur weiteren Nutzung bereitzustellen, beispielsweise zum Erhitzen eines Fluids.
  • Bei derartigen Vormischbrennern werden zunächst der üblicherweise gasförmige Brennstoff und Luft einem Mischbereich zugeführt und dort gemischt, bevor das dadurch resultierende Luft-Brennstoff-Gemisch der Brennfläche zugeführt wird, von der ausgehend sich eine Brennerflamme der Brennervorrichtung erstreckt.
  • Das Vormischen bietet dabei den Vorteil, dass die Zusammensetzung des Luft-Brennstoff-Gemischs bei Erreichen der Brennfläche auf eine für die Verbrennung gewünschte Zusammensetzung eingestellt werden kann, um unter anderem eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs und damit einen besonders hohen Wirkungsgrad zu gewährleisten.
  • Ein Nachteil dieser Vorgehensweise besteht allerdings darin, dass das Luft-Brennstoff-Gemisch vor der Verbrennung ein nicht vernachlässigbar kleines Volumen innerhalb der Brennervorrichtung einnimmt und so die Gefahr eines Flammenrückschlags besteht, bei dem die Brennerflamme in den Mischbereich zurückschlägt.
  • Dies kann nicht nur zu einem Funktionsverlust des Brenners, sondern auch zu einer Beschädigung des selbigen oder umlegender Strukturen führen.
  • Um zumindest einen vollständigen Rückschlag durch den gesamten Mischbereich zu verhindern, sind aus dem Stand der Technik, unter anderem aus der EP 4 141 321 A1 , Flammensperreinrichtungen bekannt, die kein Passieren der rückschlagenden Brennerflamme erlauben.
  • Derartige Flammensperreinrichtungen nehmen allerdings viel Bauraum in Beschlag und senken den Wirkungsgrad der Brennervorrichtung, da diese nicht nur das Mischen von Luft und Brennstoff stören, sondern auch einen zusätzlichen Strömungswiderstand einbringen, der über eine Erhöhung der Versorgungsdrücke von Luft und/oder Brennstoff kompensiert werden muss.
  • Besonders kritisch wird dieses Phänomen des Flammenrückschlags zudem bei dem in jüngster Zeit beabsichtigten Einsatz von wasserstoffhaltigem Brennstoff, insbesondere bei Brennervorrichtungen, die in Heizungsanalgen oder Brauchwasserversorgungsanlagen zum Einsatz kommen.
  • So weist Wasserstoff eine höhere Flammenausbreitungsgeschwindigkeit als die konventionell benutzten fossilen Brennstoffe auf, sodass die bisher nur mit fossilen Brennstoff betriebenen Brennervorrichtungen nicht ohne Weiteres auf wasserstoffhaltigen Brennstoff umgestellt werden können.
  • Konkret gesagt, sind die derzeit verfügbaren Brennervorrichtungen nicht zum Einsatz mit wasserstoffhaltigem Brennstoff geeignet
  • Zusammenfassung
  • Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Möglichkeit zur verbrennungsbasierten Wärmeerzeugung und - nutzung zu schaffen, die den zuverlässigen, effizienten und vor allem sicheren Betrieb, insbesondere bei wasserstoffhaltigen Brennstoffen, auch ohne Einsatz einer Flammensperreinrichtung in der Brennervorrichtung gestattet
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Brennervorrichtung nach Anspruch 1 bereitgestellt sowie darauf aufbauend ein Wärmeerzeuger nach Anspruch 13, eine Heizungsanlage nach Anspruch 14 und eine Brauchwasserversorgungsanlage nach Anspruch 15 bereitgestellt.
  • Die jeweiligen abhängigen Ansprüche beziehen sich dabei auf bevorzugte Ausführungsformen, die jeweils für sich genommen oder in Kombination bereitgestellt werden können.
  • Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung wird eine Brennervorrichtung zur Bereitstellung von Wärmeenergie durch Verbrennung eines Luft-Brennstoff-Gemischs bereitgestellt, wobei der Brennstoff insbesondere Wasserstoff enthält. Die Brennervorrichtung umfasst einen allgemein zylindrisch geformten Flammkörper, der eine auf einem Zylindermantel des Flammkörpers ausgebildete äußere Brennfläche aufweist, auf der die Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemischs erfolgt, wobei die Brennfläche über Durchgangsöffnungen im Zylindermantel mit einem zumindest teilweise vom Flammkörper umschlossenen Innenraum verbunden ist. Ferner umfasst die Brennervorrichtung eine zumindest teilweise im Innenraum angeordnete Brennstoffzuführungseinrichtung zum Einleiten von Brennstoff in einen Mischbereich zum Mischen des Brennstoffs mit Luft zum Luft-Brennstoff-Gemisch, wobei der Mischbereich im Innenraum zwischen der Brennstoffzuführungseinrichtung und dem Flammkörper ausgebildet ist, und einen im Innenraum entlang einer Längsmittelachse des Flammkörpers mittig verlaufenden Strömungskanal zum Zuführen von Luft in den Mischbereich, der zumindest teilweise von der Brennstoffzuführungseinrichtung umschlossen ist.
  • Unter dem wasserstoffhaltigen Brennstoff ist kein Brennstoff zu verstehen, der Wasserstoff lediglich in Verbindung mit anderen Atomen enthält, beispielsweise Kohlenwasserstoffe, sondern tatsächliche Brennstoffe, die einen gewissen Anteil an elementarem Wasserstoff (H2) enthalten. Vorzugsweise beträgt ein Anteil des Wasserstoffs zwischen 10 und 100 Vol.-%, besonders bevorzugt zwischen 30 und 80 Vol.-%. Der Anteil des Wasserstoffs kann idealerweise entsprechend des Einsatzgebietes der Brennervorrichtung gewählt werden.
  • Der Begriff "allgemein zylindrisch" oder auch nur "zylindrisch" ist durch die gesamte Anmeldung hinweg als auf einen allgemeinen Zylinder gemäß der gängigen Definition der Mathematik zu verstehen, also eine Form, die aus einer Extrusion einer in einer Ebene liegenden Kurve, entlang einer nicht in besagter Ebene liegenden Strecke hervorgeht Ein Kreiszylinder bezeichnet dabei einen speziellen Zylinder mit einer kreisrunden Grundfläche. Nachfolgend wird auf den Zusatz "allgemein" weitestgehend verzichtet
  • Der zylindrisch geformte Flammkörper, bei dem es sich insbesondere um einen kreiszylindrisch geformten Flammkörper handelt, erstreckt sich dabei entlang der Längsmittelachse des Flammkörpers. In anderen Worten ist unter der Längsmittelachse des Flammkörpers eine durch die Mitte des Innenraums verlaufende Längsachse zu verstehen, die von dem als Brennfläche fungierenden Zylindermantel des Flammkörpers umhüllt ist, wobei die Längsmittelachse im Wesentlichen parallel zum Zylindermantel verläuft, also im Grunde parallel zur der vorstehend genannten Strecke, entlang derer extrudiert wird.
  • Vorzugsweise ist der Flammkörper derart gestaltet, dass die Durchgangsöffnungen zur Verbindung von Mischbereich und Brennfläche winklig, insbesondere rechtwinklig zur Längsmittelachse verlaufen. Damit entspräche die Längsmittelachse des Flammkörpers einer zu Ausleitrichtungen des Luft-Brennstoff-Gemischs auf die Brennfläche senkrecht stehenden Mittelachse. Eine radiale Richtung des Flammkörpers ist nachfolgend auf besagte Längsmittelachse bezogen zu verstehen.
  • Durch die erfindungsgemäße Umsetzung mit einem mittig innerhalb des Flammkörpers verlaufenden Strömungskanal wird eine Möglichkeit zum Transport der für die Verbrennung benötigten Luft über weite Bereiche des Flammkörpers geschaffen, bei der die Luft ungehindert entlang der Längsmittelachse, die vorzugsweise auch Hauptströmungsrichtung des Strömungskanals ist, auch zu entfernteren Bereichen des Flammkörpers strömen kann, ohne sich dabei mit dem Brennstoff zu mischen.
  • Auf diese Weise kann eine ausreichende Luftversorgung an allen Stellen des Innenraums umgesetzt werden, ohne dass dabei ein zu großes Volumen an Luft-Brennstoff-Gemisch im Innenraum vorliegt, was das Risiko eines Flammenrückschlags erheblich reduziert.
  • Anders verhält es sich beispielsweise bei der Brennervorrichtung der EP 4 141 321 A1 , bei der sich die Luft kontinuierlich von einem Ende des Innenraums zum anderen ausbreitet Dabei vermischt sich diese zunehmend mit dem Brennstoff, was zu einem im Innenraum teilweise stark schwankenden Brennstoff- oder Luftanteil im Luft-Brennstoff-Gemisch führt. So werden die von der Lufteinleitstelle entfernten Bereiche der Brennervorrichtung der EP 4 141 321 A1 nur unzureichend mit Luft versorgt, sodass hier ein vergleichsweise fettes Gemisch vorliegt
  • Der Einsatz des mittigen Strömungskanals für die Luft gestattet somit eine ungehinderte Versorgung mit Luft und führt damit zu einem besonders homogenen Luft-Brennstoff-Gemisch, was wiederum eine besonders effiziente Verbrennung mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht
  • Auf diese Weise wird ein besonders stabiler Betrieb ermöglicht mit reduziertem Risiko eines Flammenrückschlags und gleichmäßiger Verbrennung mit besonders hohem Wirkungsgrad.
  • Das Merkmal der umschließenden Brennstoffzuführungseinrichtung ist dabei so zu verstehen, dass diese oder Teile von dieser nicht in den mittigen Strömungskanal hineinreichen und dort als Strömungswiderstände fungieren würden, die die Luftströmung im Strömungskanal behindern würden.
  • Um die Luftströmung zusätzlich zu stabilisieren weist der Strömungskanal im Wesentlichen einen ovalen oder auch kreisrunden Querschnitt bezogen auf eine senkrecht zur Längsmittelachse des Flammkörpers verlaufende Querschnittsebene auf, in den Teile der Brennstoffzuführungseinrichtung nicht hineinragen. Abweichungen von den besagten Querschnittsformen sind durchaus möglich.
  • Das Merkmal des Umschließens schließt allerdings keineswegs den Einsatz einer zusätzlichen Strömungswand aus, die nicht Teil der Brennstoffzuführungseinrichtung ist, solange der Strömungskanal von der Brennstoffzuführungseinrichtung umgeben ist
  • Die den Strömungskanal vorzugsweise radial in Bezug auf die Längsmittelachse umschließende Brennstoffzuführungseinrichtung trennt dabei in einer bevorzugten Ausführung zumindest teilweise den Mischbereich vom Strömungskanal.
  • Durch das Abtrennen vom Mischbereich kann die Luft ungehindert und "unvermischt" in die von der Einleitungsseite entfernten Bereiche des Innenraums geleitet werden, sodass dort beispielsweise keine fetten Gemische vorliegen und zudem der Volumenanteil von brennbarem Luft-Brennstoff-Gemisch zum Gesamtvolumen des Innenraums geringgehalten werden kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist bezogen auf eine senkrecht zur Längsmittelachse des Flammkörpers verlaufende Querschnittsebene ein Verhältnis einer Querschnittsfläche des Strömungskanals zu einer Querschnittsfläche des gesamten Innenraums größer gleich 20%, weiter bevorzugt größer gleich 30% und besonders bevorzugt größer gleich 50%.
  • Auf diese Weise kann durch den Strömungskanal eine ausreichend große Menge an Luft durch den Flammenkörper transportiert werden, um im gesamten Flammenkörper nicht nur ausreichend Luft für eine mageres Gemisch zur Verfügung zu haben, sondern auch ein besonders homogenes Luft-Brennstoff-Gemisch zu erreichen, also möglichst geringe Konzentrationsschwankungen des Brennstoffs im Luft-Brennstoff-Gemisch über den Flammkörper hinweg (Vermeidung lokaler Überfettung).
  • Vorzugsweise ist bezogen auf eine senkrecht zur Längsmittelachse des Flammkörpers verlaufende Querschnittsebene ein Verhältnis eines radialen Abstands zwischen der Brennstoffzuführungseinrichtung und dem Flammenkörper über den Mischbereich hinweg zu der Hälfte des Durchmessers des Innenraums (entspricht Radius) kleiner gleich 40%, weiter bevorzugt kleiner gleich größer gleich 20% und besonders bevorzugt größer gleich 15 %.
  • Auf diese Weise nimmt der Mischbereich vergleichsweise wenig Volumen im Innenraum ein, sodass die durch einen potentiellen Flammenrückschlag entzündliche Menge an Luft-Brennstoff-Gemisch im Innenraum vergleichsweise klein ausfällt.
  • In anderen Worten fällt dadurch eine Länge eines Mischwegs für Luft und Brennstoff zwischen der Brennstoffzuführungseinrichtung bzw. einer Auslassöffnung derselbigen und dem Flammkörper besonders gering aus, was sich insbesondere beim Einsatz von wasserstoffhaltigem Brennstoff eignet, da somit das Risiko eines Flammenrückschlags erheblich reduziert werden kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen einem stirnseitigen Endabschnitt des Flammkörpers und der Brennstoffzuführungseinrichtung ein Umlenkbereich im Innenraum ausgebildet, über den die durch den Strömungskanal geströmte Luft in den Mischbereich umgelenkt werden kann.
  • Der stirnseitige Endabschnitt bezeichnet das Ende des Flammkörpers, das dem Ende des Flammkörpers, an dem die Luft und/oder der Brennstoff zugeführt werden (Einleitungsende oder -seite), über die Längsmittelachse hinweg gegenüberliegt. In anderen Worten entspricht dies dem Ende mit dem größten Abstand zum Einleitungsende.
  • Durch den Umlenkbereich kann dem Mischbereich auch an dem vom Einleitungsende entfernten Ende, das den maximalen Abstand zu besagtem Einleitungsende aufweist, Luft zur Bereitstellung des Luft-Brennstoff-Gemischs zugeführt werden, sodass über die ganze Länge des Flammkörpers hinweg ein mageres Luft-Brennstoff-Gemisch gemischt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Strömungskanal in radialer Richtung des Flammkörpers durch die Brennstoffzuführungseinrichtung vom Mischbereich abgetrennt.
  • Auf diese Weise kann ein vorzeitiges Mischen der durch den Strömungskanal strömenden Luft mit dem in den Mischbereich eingeleiteten Brennstoff zuverlässig verhindert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Brennstoffzuführungseinrichtung einen zumindest teilweise im Innenraum angeordneten doppelwandigen Zylinder mit einer radial inneren und einer radial äußeren Zylinderwand, zwischen denen ein Strömungsweg für den Brennstoff ausgebildet ist, und wobei die radial innere Zylinderwand eine Strömungswand des Strömungskanals ist.
  • Dadurch wird eine vergleichsweise einfache und kostengünstig umzusetzende Möglichkeit einer Brennstoffzuführungseinrichtung bereitgestellt, die zeitgleich als Strömungswand für den Strömungskanal fungiert und diesen in radialer Richtung des Flammkörpers vollständig vom Mischbereich abtrennt.
  • Der doppelwandige Zylinder weist dabei vorzugsweise eine Vielzahl von über die radial äußere Zylinderwand verteilte Auslassöffnungen auf, über die der zwischen den Zylinderwänden strömende Brennstoff in den Mischbereich eingeleitet wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die radial innere und/oder die radial äußere Zylinderwand bezogen auf eine senkrecht zur Längsmittelachse des Flammkörpers verlaufende Querschnittsebene eine kreisrunde Querschnittsform auf.
  • Insbesondere bei einem ebenfalls kreiszylindrischen Flammkörper können so ein räumlich gleichmäßig ausgestalteter Strömungskanal und Mischbereich umgesetzt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Brennstoffzuführungseinrichtung eine Vielzahl von Zuleitungen, die beabstandet zur Längsmittelachse des Flammkörpers um den Strömungskanal herum angeordnet sind, insbesondere sind diese gleichmäßig um den Strömungskanal herum angeordnet
  • Vorzugsweise umfasst die Vielzahl der Zuleitungen zwischen 4 und 24 Zuleitungen, die jeweils einen kreisrunden oder auch einen nicht-kreisrunden Querschnitt, zum Beispiel polygonal, oval oder elliptisch, bezogen auf die bereits mehrfach angesprochene Querschnittsebene aufweisen können.
  • Auf diese Weise kann die Abgabe des Brennstoff in den Mischbereich besonders gut reguliert und vor allem gezielt erfolgen, da der Strömungsquerschnitt für den Brennstoff in einer einzigen Zuleitungen vergleichsweise klein ausgestaltet werden kann. Jede Zuleitung weist dabei eine Vielzahl von Auslassöffnungen zum Mischbereich auf, über die der Brennstoff in diesen eingeleitet wird.
  • Die Zuleitungen sind dabei insbesondere parallel zur Längsmittelachse angeordnet, um so einen über die Längsmittelachse gleichbleibenden Strömungsquerschnitt des zwischen den einzelnen Zuleitungen verlaufenden mittigen Strömungskanals bereitzustellen.
  • Bezogen auf die zur Längsmittelachse senkrecht stehende Querschnittsebene können benachbarte Zuleitungen miteinander verbunden sein, um einen vom Mischbereich abgetrennten Strömungskanal zu schaffen.
  • Vorzugsweise sind benachbarte Zuleitungen aber durch einen Abstandsbereich voneinander getrennt, der wiederum den mittigen Strömungskanal zur Gasdurchleitung mit dem Mischbereich verbindet.
  • So kann zwischen benachbarten Zuleitungen ein Teil der durch den Strömungskanal strömenden Luft aus diesem in den Mischbereich strömen, sodass entlang der Längsmittelachse stetig Luft aus dem Strömungskanal, in dem die Luft ungehindert in Hauptströmungsrichtung strömt, dem Mischbereich zugeführt wird um dort ausreichend Luft für ein mageres Luft-Brennstoff-Gemisch bereitzustellen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine, insbesondere alle, Zuleitungen der Vielzahl von Zuleitungen eine nicht-kreisrunde Zuleitung, dergestalt, dass diese bezogen auf eine senkrecht zur Längsmittelachse des Flammkörpers verlaufende Querschnittsebene eine Querschnittsform aufweist, deren Ausdehnung entlang einer ersten Hauptachse größer ausfällt als deren Ausdehnung entlang einer winklig, insbesondere senkrecht, zur ersten Hauptachse stehenden zweiten Hauptachse, insbesondere weist die zumindest eine Zuleitung eine elliptische Querschnittsform auf. Bevorzugt ist die zumindest eine nicht-kreisrunde Zuleitung der Vielzahl von Zuleitungen derart angeordnet ist, dass die erste Hauptachse in radialer Richtung des Flammkörpers verläuft
  • Auf diese Weise kann der Abstandsbereich zwischen benachbarten Zuleitungen vergrößert werden, um durch diese mehr Luft in den Mischbereich über die Länge der Längsmittelachse hinweg einzuleiten. Gleichzeitig kann dadurch der Abstand zwischen den Zuleitungen und dem Flammkörper reduziert werden, um die Länge des Mischwegs zu reduzieren. Dadurch kann ein mageres Luft-Brennstoff-Gemisch bei zeitgleich reduziertem Risiko eines Flammenrückschlags bereitgestellt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Brennstoffzuführungseinrichtung Auslassdüsen für den Brennstoff, die ausgehend von einer an den Mischbereich angrenzenden Hauptfläche der Brennstoffzuführungseinrichtung radial nach außen in Richtung des Flammkörpers herausragen, derart, dass ein Abstand zwischen Öffnungen der Auslassdüsen und dem Flammkörper geringer ausfällt als ein Abstand zwischen der Hauptfläche und dem Flammkörper.
  • Auf diese Weise kann der Abstand zum Flammenkörper reduziert werden, ohne dabei den Mischbereich über Gebühr zu verkleinern, was ab einem gewissen Grad nur noch zu einer unzureichende Luftzuführung zur Bereitstellung des Luft-Brennstoff-Gemisch führen würde.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist eine an den Mischbereich angrenzenden Außenkontur der Brennstoffzuführungseinrichtung eine entlang der Längsmittelachse des Flammkörpers verlaufende Nut auf, innerhalb derer Auslassöffnungen für den Brennstoff angeordnet sind.
  • Die Nut stellt eine Vertiefung auf der Brennstoffzuführungseinrichtung bereit, durch die die Auslassöffnung zumindest teilweise von einem direkt über diese hinweg ziehenden Luftstrom abgeschirmt wird. Dadurch kann ein gezieltes Einleiten des Brennstoffs ohne Störungen erfolgen. Ferner wird durch die Nut eine ggfs. rückschlagenden Flamme an der Ausbreitung durch den gesamten Mischbereich gehindert
  • Besagte Auslassdüsen und/oder besagte Nut können dabei sowohl bei der bevorzugten Ausführung mit doppelwandigen Zylinder als auch mit der Vielzahl von Zuleitungen der Brennstoffzuführungseinrichtung zum Einsatz kommen.
  • Gemäß eines zweiten Aspekts der Erfindung wird ein Wärmeerzeuger zum Übertragen von Wärmeenergie auf ein Fluid bereitgestellt, insbesondere zum Einsatz in einer Heizungsanlage oder in einer Brauchwasserversorgungsanlage, wobei der Wärmeerzeuger zumindest eine Brennervorrichtung gemäß des ersten Aspekts oder einer davon bevorzugten Ausführungsform sowie einen mit der Brennervorrichtung gekoppelten Wärmetauscher umfasst, über den durch die Brennervorrichtung bereitgestellte Wärmeenergie auf das Fluid übertragbar ist
  • Dadurch wird die besonders effizient und sicher operierende Brennervorrichtung zum Erhitzen eines beliebigen Fluids einsetzbar, das wiederum seinerseits in zahlreichen anderen Anlagen oder Systemen eingesetzt werden kann. Die zur Brennervorrichtung bereits beschriebenen Vorteile gelten ebenso auch für den diese umfassenden Wärmeerzeuger, der insbesondere im Fall von wasserstoffhaltigem Brennstoff eine effiziente und sichere Verbrennung ermöglicht, was im Falle des Wärmeerzeugers gleichbedeutend mit einem effizienten und sicheren Erhitzen des besagten Fluids ist
  • Beispielsweise kann es sich bei dem Wärmetauscher über einen Flächen-, Lamellen- oder Spiralwendelwärmetauscher handeln.
  • Gemäß eines dritten Aspekts der Erfindung wird eine Heizungsanlage zum Heizen eines Gebäudes bereitgestellt, die zumindest ein Leitungssystem zum Transport eines fluiden Energietransportmediums und einen Wärmeerzeuger gemäß des zweiten Aspekts der Erfindung umfasst, der zum Erhitzen des durch das Leitungssystems zu transportierenden Energietransportmediums eingerichtet ist.
  • Gemäß eines vierten Aspekts der Erfindung wird eine Brauchwasserversorgungsanlage zur Versorgung mit Brauchwasser bereitgestellt, die zumindest ein Leitungssystem zum Transport des Brauchwassers und einen Wärmeerzeuger gemäß des zweiten Aspekts der Erfindung umfasst, der zum Erhitzen des durch das Leitungssystem zu transportierenden Brauchwassers eingerichtet ist.
  • Durch Einsatz des erfindungsgemäßen Wärmeerzeugers als Teil einer Heizungsanlage und/oder einer Brauchwasserversorgungsanlage eines Gebäudes, können die bereits beschriebenen Vorteile der sicheren und effizienten Verbrennung, insbesondere von wasserstoffhaltigem Brennstoff, im Bereich des Heizens als auch im Bereich der Warmwasserversorgung umgesetzt werden.
    • Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Brennervorrichtung.
    • Fig. 2A und 2B zeigen Schnittdarstellungen eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennervorrichtung.
    • Fig. 3A und 3B zeigen Schnittdarstellungen eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennervorrichtung mit verschiedenen Querschnittsprofilen von Zuleitungen in Fig. 3C.
    • Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt im Bereich eines Brennstoffauslasses in den Mischbereich eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennervorrichtung.
    • Fig. 5A zeigt einen Ausschnitt im Bereich eines Brennstoffauslasses in den Mischbereich eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennervorrichtung mit einer weiteren Schnittdarstellung in Fig. 5B.
  • Es wird hervorgehoben, dass die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Ausführungsmerkmale begrenzt ist Die Erfindung umfasst weiterhin Modifikationen der genannten Ausführungsbeispiele, insbesondere diejenigen, die aus Modifikationen und/oder Kombinationen einzelner oder mehrerer Merkmale der beschriebenen Ausführungsbeispiele im Rahmen des Schutzumfanges der unabhängigen Ansprüche hervorgehen.
  • Ausführliche Figurenbeschreibung
  • In den nachfolgenden Figuren sind Fließ- bzw. Strömungsrichtungen des Brennstoffs B und der Luft innerhalb der Brennervorrichtungen durch mit B bzw. mit L bezeichneten Pfeilen angedeutet.
  • Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Brennervorrichtung 100, ohne dabei deren Innenleben zu zeigen. Hierzu wird auf die Fig. 2A bis 5B verwiesen.
  • Die Brennvorrichtung 100 umfasst einen Flammkörper 1, auf dessen Brennfläche die Verbrennung eines Luft-Brennstoff-Gemischs erfolgt Der Brennstoff wird dabei über eine Brennstoffquelle 200 zugeführt und die Luft durch ein Gebläse 4, wobei ein Gehäuse 5 der Brennervorrichtung 100 einen Kanal zum Zuführen der Luft zum Flammkörper 1 ausbildet. Die Mischung von Brennstoff und Luft erfolgt dann in einem vom Flammenkörper 1 zumindest teilweise umschlossenen Innenraum, bevor das Gemisch durch Durchgangsöffnungen auf die Brennfläche strömt.
  • Fig. 2A und 2B zeigen Schnittdarstellungen eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennervorrichtung 100. Fig. 2A zeigt dabei einen Längsschnitt und Fig. 2B einen dazu orthogonalen Querschnitt in der Ebene A-A.
  • Die Brennervorrichtung 100 umfasst einen im Wesentlichen kreiszylindrischen Flammkörper 1, der teilweise einen ebenfalls kreiszylindrischen Innenraum 11 umschließt, derart, dass der Flammkörper 1 an einer Einleitungsseite 12 für Brennstoff B und LuftL geöffnet und an dem davon gegenüberliegenden stirnseitigen Endabschnitt 13 verschlossen ist.
  • Der kreiszylindrische Flammkörper 1 erstreckt sich dabei ausgehend von der Einleitungsseite 12 entlang seiner Längsmittelachse 14, also seiner mittigen Längsachse, bis zu besagtem stirnseitigen Endabschnitt 13.
  • Der Innenraum 11 ist über eine Vielzahl Durchgangsöffnungen 16 mit einer äußeren Brennfläche 17 auf dem Zylindermantel des Flammkörpers 1 verbunden ist, auf der die Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemischs erfolgt, das durch die Durchgangsöffnungen 16 aus dem im Innenraum 11 befindlichen Mischbereich 15 heraustritt Im Mischbereich 15 wird aus Luft L und Brennstoff B das Luft-Brennstoff-Gemisch vor Austritt auf die Brennfläche 17 gemischt.
  • Zur Bereitstellung des zu verbrennenden Luft-Brennstoff-Gemischs umfasst die Brennervorrichtung 100 eine Brennstoffzuführungseinrichtung 2, die zumindest teilweise im Innenraum 11 angeordnet ist und die zum Einleiten von Brennstoff B in den Mischbereich 15 eingerichtet, der im Innenraum 11 zwischen der Brennstoffzuführungseinrichtung 2 und dem Flammkörper 1 ausgebildet ist, genauer gesagt zwischen dem von der Brennstoffzuführungseinrichtung 2 umfassten doppelwandigen Zylinder 22 und dem Mantelkörper des Flammkörpers 1.
  • Der doppelwandige Zylinder 22 dient dem Transport des Brennstoffs B innerhalb des Innenraums 11 und bildet einen Brennstoffkanal zwischen einer radial inneren Zylinderwand 22a und einer radial äußeren Zylinderwand 22b. Der Zylinder 22 ist dabei so ausgestaltet, dass von der Einleitungsseite 12 in den Brennstoffkanal einströmender Brennstoff B durch in der radial äußeren Zylinderwand 22a vorgesehene Auslassöffnungen 26 in den Mischbereich 15 gelangt und sich dort mit der eingeleiteten Luft L mischt.
  • Die Auslassöffnungen 26 sind dabei auf einer an den Mischbereich angrenzenden Hauptfläche 21 der Brennstoffzuführungseinrichtung 2 bzw. des doppelwandigen Zylinders 22 angeordnet und zwar in einer Linie mit den Durchgangsöffnungen 16 des Flammkörpers 1, sodass der Brennstoff B entlang dieser Linie (Mischweg) strömen kann und dabei die im Mischbereich 15 vorhandene Luft L mitzieht und sich im Zuge dessen mit dieser mischt
  • Die Zuführung des Brennstoff B erfolgt über eine auf Seiten der Einleitungsseite 12 angeordnete Verteilereinrichtung 25 der Brennstoffzuführungseinrichtung 2, die wiederum über eine Zuleitung mit einer Brennstoffquelle 200 verbunden ist, beispielsweise ein Brennstoffreservoir, -tank, oder -versorgungsnetz. Die Verteilereinrichtung 25 sorgt dabei für eine gleichmäßige Verteilung des Brennstoffs B zwischen den Zylinderwänden 22a, 22b.
  • Zur Bereitstellung der Luft L wird diese ebenfalls an der Einleitungsseite 12 eingeleitet, vorzugsweise unter Verwendung eines Gebläses 4 (siehe Fig. 1).
  • Hierzu umfasst die Brennervorrichtung 100 einen im Innenraum 11 mittig, entlang der Längsmittelachse 14 des Flammkörpers 1 verlaufenden Strömungskanal 3 zum Zuführen von Luft L in den Mischbereich 15, der radial von der Brennstoffzuführungseinrichtung 2 bzw. von der radial inneren Zylinderwand 22b des doppelwandigen Zylinders 22 umschlossen ist, sodass der Strömungskanal 3 selbst in radialer Richtung vom Mischbereich 15 abgetrennt ist.
  • In anderen Worten kann ein Teil der an der Einleitungsseite 12 zugeführten Luft L bis zum Endabschnitt 13 des Flammkörpers 1 strömen, ohne dabei in Kontakt mit Brennstoff B zu kommen. Mithin fungiert die radial innere Zylinderwand 22b als Strömungswand des Strömungskanals 3.
  • Um ein gutes Einströmen der im Strömungskanal 3 strömenden Luft L in den Mischbereich 15 zu ermöglichen, ist zwischen Brennstoffzuführungseinrichtung 2 bzw. zwischen dem doppelwandigen Zylinder 22 und dem Endabschnitt 13 des Flammkörpers ein Umlenkbereich 30 vorgesehen.
  • Ferner umfasst die Brennvorrichtung 100 einen zweiten Strömungskanal im Innenraum 11, der zwischen der radial äußeren Zylinderwand 22a und dem Flammkörper 1 auf Seiten der Einleitungsseite 12 ausgebildet ist
  • Auf diese Weise wird die Luft L über die beiden Strömungskanäle an beiden axialen Enden des Mischbereichs 15 zugeführt, sodass eine ausreichende Luftversorgung an verschiedenen Stellen des Mischbereichs 15 ermöglicht wird und so nicht nur "fette" Gemische vermieden werden können, sondern entlang der Längsmittelachse 14 auch ein besonders homogenes Luft-Brennstoff-Gemisch erzielt werden kann, also möglichst geringe Konzentrationsschwankungen des Brennstoffs im Luft-Brennstoff-Gemisch (Vermeidung lokaler Überfettung).
  • Der gezeigte Aufbau eignet sich insbesondere für den Einsatz mit wasserstoffhaltigem Brennstoff, da dadurch (wie im allgemeinen Teil der Beschreibung) das Risiko eines Flammenrückschlags reduziert werden kann und zudem ausreichend Luft bereitsteht, um ein zu "fettes" Gemisch über den gesamten Mischbereich 15 hinweg zu vermeiden.
  • Fig. 3A und 3B zeigen Schnittdarstellungen eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennervorrichtung 100. Fig. 3A zeigt dabei einen Längsschnitt und Fig. 3B einen dazu orthogonalen Querschnitt in der Ebene B-B.
  • Der Grundaufbau des Flammkörpers 1 entspricht im Wesentlichem dem aus Fig. 2A und 2B, sodass dieser nicht erneut beschrieben wird.
  • Der Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht in der Umsetzung der Brennstoffzuführungseinrichtung 2 mit einer Vielzahl von Zuleitungen 23a anstelle des doppelwandigen Zylinders 22.
  • Die in diesem Fall zwölf Zuleitungen 23a der Brennstoffzuführungseinrichtung 2 erstrecken sich ausgehen von der Verteilereinrichtung 25 in Richtung des Endabschnitts 13 und sind beabstandet zur Längsmittelachse 14 des Flammkörpers 1 um den mittigen Strömungskanal 3 herum angeordnet.
  • Die Zuleitungen 23a umschließen damit den Strömungskanal 3 in radialer Richtung nur teilweise, da benachbarte Zuleitungen 23 beabstandet voneinander angeordnet sind mit einem dazwischen liegenden Abstandsbereich 24, der den mittigen Strömungskanal 3 mit dem Mischbereich 15 verbindet.
  • So kann zwischen benachbarten Zuleitungen 23a ein Teil der durch den Strömungskanal 13 strömenden Luft L aus diesem in den Mischbereich 15 strömen, sodass entlang der Längsmittelachse 14 stetig Luft L aus dem Strömungskanal 3 dem Mischbereich 15 zugeführt wird um dort ausreichend Luft L für ein mageres Luft-Brennstoff-Gemisch bereitzustellen.
  • Die Zuleitungen 23 weisen bezogen auf die Querschnittsebene eine nicht-kreisrunde Querschnittsform auf (siehe Fig. 3B), vorliegend eine elliptische Form. Andere Querschnittsformen sind beispielhaft in Fig. 3C dargestellt und zeigen von links nach rechts eine polygonale Querschnittsform 23b in Form eines Vierecks, eine Querschnittsform als Kreisringsegment 23c und eine kreisrunde Querschnittsform 23d.
  • Die Zuleitungen 23a sind dabei derart im Innenraum angeordnet, dass die Halbachse mit maximaler Ausdehnung der elliptischen Form in radialer Richtung des Flammkörpers 1 ausgerichtet ist und die Halbachse mit minimaler Ausdehnung der elliptischen Form in tangentialer Richtung des Flammkörpers 1 verläuft (siehe Fig. 3B).
  • Auf diese Weise kann der Abstandsbereich 24 zwischen benachbarten Zuleitungen 23a vergrößert werden, um durch diese mehr Luft L in den Mischbereich 15 über die Länge der Längsmittelachse 14 hinweg einzuleiten ohne dabei die effektive Strömungsfläche einer Zuleitung 23a zu verkleinern, beispielsweise im Vergleich zu einer kreisrunden Querschnittsform 23d. Gleichzeitig kann dadurch der Abstand zwischen den Zuleitungen 23a und dem Flammkörper 1 reduziert werden, um die Länge des Mischwegs zu reduzieren.
  • Die Verteileinrichtung 25 ist dabei bezogen auf die senkrecht zur Längsmittelachse 14 stehende Querschnittsebene kreisringförmig gestaltet, um so mittig einen Durchlass für die Luft L zum Strömungskanal 3 zu schaffen.
  • Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt im Bereich eines Brennstoffauslasses in den Mischbereich 15 eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennervorrichtung 100.
  • Die Brennstoffzuführungseinrichtung 2 umfasst hierbei Auslassdüsen 27 für den Brennstoff B, die ausgehend von einer an den Mischbereich 15 angrenzenden Hauptfläche 21 der Brennstoffzuführungseinrichtung 2 radial nach außen in Richtung des Flammkörpers 1 herausragen, derart, dass ein Abstand D2 zwischen Öffnungen der Auslassdüsen 27 und dem Flammkörper 1 geringer ausfällt als ein Abstand D1 zwischen der Hauptfläche 21 und dem Flammkörper 1.
  • Auf diese Weise kann der Abstand zum Flammkörper 1, also der Mischweg, verkürzt werden, ohne dabei den Mischbereich über Gebühr zu verkleinern, was ab einem gewissen Grad nur noch zu einer unzureichende Luftzuführung zur Bereitstellung des Luft-Brennstoff-Gemisch führen würde.
  • Fig. 5A zeigt einen Ausschnitt im Bereich eines Brennstoffauslasses in den Mischbereich 15 eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennervorrichtung 100 mit einem dazu orthogonalen Querschnitt in der Ebene C-C in Fig. 5B.
  • Die an den Mischbereich 15 angrenzende Außenkontur der Brennstoffzuführungseinrichtung 2 weist dabei eine entlang der Längsmittelachse 14 des Flammkörpers 1 verlaufende Nut 28 auf, innerhalb derer Auslassöffnungen 26 für den Brennstoff B angeordnet sind. Die Nut 28 ist dabei über als von der an den Mischbereich 15 angrenzenden Hauptfläche 21 herausragende Wandelemente gestaltet.
  • Die Nut 28 stellt eine Abschirmungsbereich bereit, durch den die Auslassöffnungen 26 zumindest teilweise von einem direkt über diese hinweg ziehenden Luftstrom abgeschirmt werden. Dadurch kann ein gezieltes Einleiten des Brennstoffs B ohne Störungen erfolgen. Ferner wird durch die Nut 28 eine ggfs. rückschlagenden Flamme an der Ausbreitung durch den gesamten Mischbereich 15 gehindert
  • Vorstehend wurden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sowie deren Vorteile detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.
  • Es wird erneut hervorgehoben, dass die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Ausführungsmerkmale begrenzt ist. Die Erfindung umfasst weiterhin Modifikationen der genannten Ausführungsbeispiele, insbesondere diejenigen, die aus Modifikationen und/oder Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsbeispiele im Rahmen des Schutzumfanges der unabhängigen Ansprüche hervorgehen.
  • Liste der Bezugszeichen
  • 1
    Flammkörper
    2
    Brennstoffzuführungseinrichtung
    3
    Strömungskanal
    4
    Gebläse
    5
    Gehäuse
    11
    Innenraum
    12
    Einleitungsseite
    13
    stirnseitiger Endabschnitt
    14
    Längsmittelachse
    15
    Mischbereich
    16
    Durchgangsöffnung
    17
    Brennfläche
    21
    an Mischbereich angrenzende Hauptfläche
    22
    doppelwandiger Zylinder
    22a
    radial äußere Zylinderwand
    22b
    radial innere Zylinderwand
    23a-d
    Zuleitung
    24
    Abstandsbereich
    25
    Verteilereinrichtung
    26
    Auslassöffnungen
    27
    Auslassdüse
    28
    Nut
    30
    Umlenkbereich
    100
    Brennervorrichtung
    200
    Brennstoffquelle
    B
    Brennstoff
    L
    Luft

Claims (15)

  1. Brennervorrichtung (100) zur Bereitstellung von Wärmeenergie durch Verbrennung eines Luft-Brennstoff-Gemischs, wobei der Brennstoff (B) insbesondere Wasserstoff enthält, umfassend:
    - einen allgemein zylindrisch geformten Flammkörper (1), der eine Einleitungsseite (12) und eine auf einem Zylindermantel des Flammkörpers (1) ausgebildete äußere Brennfläche (17) aufweist, auf der die Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemischs erfolgt, wobei die Brennfläche (17) über Durchgangsöffnungen (16) im Zylindermantel mit einem zumindest teilweise vom Flammkörper (1) umschlossenen Innenraum (11)verbunden ist; und
    - eine zumindest teilweise im Innenraum (11) angeordnete Brennstoffzuführungseinrichtung (2) zum Einleiten von Brennstoff (B) in einen Mischbereich (15) zum Mischen des Brennstoffs mit Luft (L) zum Luft-Brennstoff-Gemisch;
    wobei die Brennervorrichtung (100) derart ausgestaltet ist, dass sowohl Luft (L) als auch Brennstoff (B) dem Flammkörper (1) an der Einleitungsseite (12) des Flammkörpers (1) zugeführt werden;
    und wobei der Mischbereich (15) im Innenraum (11) zwischen der Brennstoffzuführungseinrichtung (2) und dem Flammkörper (1) ausgebildet ist;
    gekennzeichnet durch
    einen im Innenraum (11) mittig, entlang einer Längsmittelachse (14) des Flammkörpers (1) verlaufenden Strömungskanal (3) zum Zuführen von Luft (L) in den Mischbereich (15), der zumindest teilweise von der Brennstoffzuführungseinrichtung (2) umschlossen ist.
  2. Brennervorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei
    bezogen auf eine senkrecht zur Längsmittelachse (14) des Flammkörpers (1) verlaufende Querschnittsebene ein Verhältnis einer Querschnittsfläche des Strömungskanals (3) zu einer Querschnittsfläche des gesamten Innenraums (11) größer gleich 20%.
  3. Brennervorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei
    zwischen einem stirnseitigen Endabschnitt (13) des Flammkörpers (1) und der Brennstoffzuführungseinrichtung (2) ein Umlenkbereich (30) im Innenraum (11) ausgebildet ist, über den die durch den Strömungskanal (3) geströmte Luft (L) in den Mischbereich (15) umgelenkt werden kann.
  4. Brennervorrichtung (100) zumindest nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei
    der Strömungskanal (3) in radialer Richtung des Flammkörpers (1) durch die Brennstoffzuführungseinrichtung (2) vom Mischbereich (15) abgetrennt ist
  5. Brennervorrichtung (100) zumindest nach Anspruch 4, wobei
    die Brennstoffzuführungseinrichtung (2) einen zumindest teilweise im Innenraum (11) doppelwandigen Zylinder (22) mit einer radial inneren und einer radial äußeren Zylinderwand (22a, 22b) umfasst, zwischen denen einen Strömungsweg für den Brennstoff (B) ausgebildet ist, und wobei die radial innere Zylinderwand (22b) eine Strömungswand des Strömungskanals (3) ist.
  6. Brennervorrichtung (100) zumindest nach Anspruch 5, wobei
    die radial innere und/oder die radial äußere Zylinderwand (22a, 22b) bezogen auf eine senkrecht zur Längsmittelachse (14) des Flammkörpers (1) verlaufende Querschnittsebene eine kreisrunde Querschnittsform aufweisen.
  7. Brennervorrichtung (100) zumindest nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei
    die Brennstoffzuführungseinrichtung (2) eine Vielzahl von Zuleitungen (23a-d) umfasst, die beabstandet zur Längsmittelachse (14) des Flammkörpers (1) um den Strömungskanal (3) herum angeordnet sind, insbesondere sind diese gleichmäßig um den Strömungskanal (3) herum angeordnet
  8. Brennervorrichtung (100) nach Anspruch 7, wobei
    die Vielzahl von Zuleitungen (23a-d) zwischen 4 und 24 Zuleitungen (23a-d) umfasst.
  9. Brennervorrichtung (100) zumindest nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei
    bezogen auf eine senkrecht zur Längsmittelachse (14) des Flammkörpers (1) verlaufende Querschnittsebene benachbarte Zuleitungen (23a-d) der Vielzahl von Zuleitungen (23a-d) durch einen Abstandsbereich (24) voneinander getrennt sind, der den Strömungskanal (3) mit dem Mischbereich (15) verbindet.
  10. Brennervorrichtung (100) zumindest nach Anspruch 9, wobei
    zumindest eine, insbesondere alle, Zuleitungen (23a-d) der Vielzahl von Zuleitungen (23a-d) eine nicht-kreisrunde Zuleitung (23a-c) ist, wobei diese bezogen auf eine senkrecht zur Längsmittelachse (14) des Flammkörpers (1) verlaufende Querschnittsebene eine Querschnittsform aufweist, deren Ausdehnung entlang einer ersten Hauptachse größer ausfällt als deren Ausdehnung entlang einer winklig, insbesondere senkrecht, zur ersten Hauptachse stehenden zweiten Hauptachse, insbesondere weist die zumindest eine nicht-kreisrunde Zuleitung (23a-d) eine elliptische Querschnittsform auf, wobei die zumindest eine nicht-kreisrunde Zuleitung (23a-d) der Vielzahl von Zuleitungen (23a-d) insbesondere derart angeordnet ist, dass die erste Hauptachse in radialer Richtung des Flammkörpers (1) verläuft.
  11. Brennervorrichtung (100) zumindest nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei
    die Brennstoffzuführungseinrichtung (2) Auslassdüsen (27) für den Brennstoff (B) umfasst, die ausgehend von einer an den Mischbereich (15) angrenzenden Hauptfläche (21) der Brennstoffzuführungseinrichtung (2) radial nach außen in Richtung des Flammkörpers (1) herausragen, derart, dass ein Abstand zwischen Öffnungen der Auslassdüsen (27) und dem Flammkörper (1) geringer ausfällt als ein Abstand zwischen der Hauptfläche (21) und dem Flammkörper (1).
  12. Brennervorrichtung (100) zumindest nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei
    eine an den Mischbereich (15) angrenzenden Außenkontur der Brennstoffzuführungseinrichtung (2) eine entlang der Längsmittelachse (14) des Flammkörpers (1) verlaufende Nut (28) aufweist, innerhalb derer Auslassöffnungen (26) für den Brennstoff (B) angeordnet sind.
  13. Wärmeerzeuger zum Übertragen von Wärmeenergie auf ein Fluid, insbesondere zum Einsatz in einer Heizungsanlage oder in einer Brauchwasserversorgungsanlage, zumindest umfassend:
    - eine Brennervorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12;
    - einen mit der Brennervorrichtung (100) gekoppelten Wärmetauscher, über den durch die Brennervorrichtung (100) bereitgestellte Wärmeenergie auf das Fluid übertragbar ist.
  14. Heizungsanlage zum Heizen eines Gebäudes, zumindest umfassend:
    - ein Leitungssystem zum Transport eines fluiden Energietransportmediums; und
    - einen Wärmeerzeuger nach Anspruch 13 zum Erhitzen des durch das Leitungssystems zu transportierenden Energietransportmediums.
  15. Brauchwasserversorgungsanlage zur Versorgung mit Brauchwasser, zumindest umfassend:
    - ein Leitungssystem zum Transport des Brauchwassers; und
    - einen Wärmeerzeuger nach Anspruch 13 zum Erhitzen des durch das Leitungssystems zu transportierenden Brauchwassers.
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