EP4545852A1 - Heizgerät - Google Patents

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EP4545852A1
EP4545852A1 EP24206560.5A EP24206560A EP4545852A1 EP 4545852 A1 EP4545852 A1 EP 4545852A1 EP 24206560 A EP24206560 A EP 24206560A EP 4545852 A1 EP4545852 A1 EP 4545852A1
Authority
EP
European Patent Office
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burner
combustion
outlet element
throttle device
mixture
Prior art date
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Application number
EP24206560.5A
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English (en)
French (fr)
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EP4545852B1 (de
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Thomas Lemagnen
Tony Chaillou
Patrice Guen
Elodie Hersent
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Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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Publication date
Application filed by Vaillant GmbH filed Critical Vaillant GmbH
Publication of EP4545852A1 publication Critical patent/EP4545852A1/de
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Publication of EP4545852B1 publication Critical patent/EP4545852B1/de
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    • 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
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F23D14/04—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner
    • F23D14/10—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner with elongated tubular burner head
    • F23D14/105—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner with elongated tubular burner head with injector axis parallel to the burner head axis
    • 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
    • F23D14/34—Burners specially adapted for use with means for pressurising the gaseous fuel or the combustion air
    • F23D14/36—Burners specially adapted for use with means for pressurising the gaseous fuel or the combustion air in which the compressor and burner form a single unit
    • 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
    • F23D14/70—Baffles or like flow-disturbing devices
    • 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
    • F23D14/72—Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
    • F23D14/82—Preventing flashback or blowback
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901—Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2203/00—Gaseous fuel burners
    • F23D2203/10—Flame diffusing means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2209/00—Safety arrangements
    • F23D2209/10—Flame flashback

Definitions

  • the invention relates to a heating device designed to burn a fuel gas containing hydrogen.
  • Hydrogen combustion in heating appliances is becoming more of a focus for the general public, especially for domestic heating appliances for heating and/or hot water production.
  • the combustion of hydrogen differs significantly from the combustion of fossil fuel gases. Due, among other things, to the high flame speed of hydrogen, flashbacks can occur more frequently, which can damage the heater. In addition to heater failure and the associated repair costs, the damage can also result in unburned fuel gas escaping into the environment and posing a significant safety risk. Damage to heaters as a result of flashbacks has frequently been observed in components such as blowers, gas valves, or other components made of plastic.
  • flame arresters are known from the state of the art, for example, to prevent flame propagation into the burner.
  • Such a flame arrester is used, for example, in EP 4 160 092 A1 Flame arresters must often withstand multiple flashbacks during their lifetime without affecting their functionality, and the flow resistance should not change significantly.
  • a heater with a burner arrangement is to be provided that effectively prevents the occurrence of flashbacks and is durable. Furthermore, it is desirable that existing heaters can be easily retrofitted with the invention and, in particular, that only minor technical modifications are required.
  • the heater can be used to supply a building with heat and/or hot water and can be installed either wall-mounted or floor-standing.
  • the heater can provide a heat output of up to 50 kilowatts.
  • the heater can draw in a mass flow of combustion air via an air supply by means of a conveying device, to which a mass flow of fuel gas corresponding to a predetermined combustion air ratio, also known as lambda or air ratio, is added.
  • a mass flow of fuel gas corresponding to a predetermined combustion air ratio also known as lambda or air ratio
  • the incoming combustion mixture can be fed to the burner assembly via a mixture duct, where it can flow into the burner cavity of the burner assembly and then exit through the burner outlet element into the combustion chamber where it is burned.
  • the heater can comprise an ignition device to ignite the combustion mixture at the burner outlet element.
  • the combustion products can then be fed to a building's exhaust system via an exhaust duct of the heater.
  • the conveying device and the mixture duct are often arranged downstream of a mixing point in the flow direction of the heater, where the mass flow of combustion air and the mass flow of fuel gas are combined.
  • the heater can have a gas valve to control the mass flow of fuel gas, which can usually comprise a gas safety valve and a gas control valve.
  • the gas control valve can in particular be a stepper motor valve that can adjust a defined mass flow of fuel gas.
  • the The gas control valve also delivers a mass flow of fuel gas according to a transmitted control pressure.
  • the control pressure can be measured in a Venturi device and can be a measure of the delivered mass flow of combustion air. This design is also referred to as a pneumatic gas-air connection.
  • the safety valve is intended to prevent the escape of unburned hydrogen and is only released during a heater start-up process, for example, after the delivery device has been activated to provide a starting power suitable for the start-up process.
  • the aforementioned components can all be parts of the heater itself.
  • the heater can adjust the burner output to the demand, which is also referred to as "modulation.”
  • a control unit of the heater can adjust the output of the heater's fan and thus the combustion air mass flow to the heat demand.
  • a control system adapts the hydrogen mass flow to the changing combustion air mass flow.
  • the combustion air ratio is often adjusted, particularly by increasing the proportion of combustion air. The associated increase in flow velocity (at the same heater output) and reduction in flame speed can reduce the risk of flashbacks. Nevertheless, a modulation process of the heater carries an increased risk of flashbacks occurring, which can be mitigated by the measures proposed here.
  • the burner assembly comprises at least one burner cavity and a burner outlet element through which the combustion mixture can exit into a combustion chamber for combustion.
  • the burner cavity may also have a burner hood, in which an inlet for the combustion mixture is often arranged.
  • the burner hood often consists of a burner door, which also defines the combustion chamber.
  • the burner hood can separate the burner cavity from the surroundings.
  • the burner outlet element can have a cylindrical or, in particular, a flat shape.
  • the burner outlet element comprises a plurality of openings through which the combustion mixture can flow.
  • a burner outlet element is often also referred to as a perforated plate.
  • the design of the burner outlet element determines a pressure drop, which is set during development and is therefore known or easily determined.
  • One idea of the invention is to adjust the pressure drop of the throttle device as a function of the pressure drop of the burner outlet element, thereby significantly reducing the occurrence of flashbacks.
  • the combustion chamber may include one or more heat exchangers that can transfer the heat generated during combustion to a heat transfer medium circulating in a heating circuit or to domestic water.
  • the heating device may, in particular, be a condensing heating device, also known as a condensing boiler, in which the exhaust gas is cooled to a temperature that allows the condensation heat of the water vapor contained in the exhaust gas to be utilized.
  • the heater is designed to burn a fuel gas with a (pure) hydrogen content of at least 80 percent.
  • the heater can be used to burn of a fuel gas with a proportion of at least 90 or 95 percent or even largely pure hydrogen.
  • the throttle device is a device or a component arrangement that causes a defined, predetermined pressure drop in the mass flow of combustion mixture as it flows through it.
  • a predetermined, specifically adjusted pressure drop DA D in the flow direction of the heater, upstream of the burner outlet element.
  • DA D a predetermined, specifically adjusted pressure drop
  • the throttle device can be a flat structure that has a defined flow resistance.
  • the throttle device can, for example, consist of a grid or a grid structure, a fabric, a perforated sheet, a honeycomb body, a foam body, or be formed with at least one of these components.
  • the throttle device or the at least one protruding component consists in particular of a metallic material.
  • the throttle device can be arranged in a mixture channel of the heating device of the conveying device, namely downstream of the conveying device and upstream of the combustion chamber, as seen in a flow direction of the mixture.
  • the throttle device causes a pressure drop DA D of the flowing combustion mixture of at least 25 percent of the pressure drop DAs of the burner outlet element.
  • the throttle device can generate a pressure drop DA D of at least 30 percent and in particular 33 percent or even 40 percent of the pressure drop DAs of the burner outlet element.
  • a pressure drop refers to the reduction of the Pressure when a gas (the combustion mixture) flows through the burner outlet element or throttle device.
  • the pressure drop between the throttle device and the burner outlet element can be determined or measured in a test setup in which ambient air flows through the device at a mass flow rate of 40 liters per minute under ambient conditions.
  • Ambient conditions are, in particular, a normal air pressure of 101.325 kilopascals and a temperature of 20 degrees Celsius.
  • the throttle device can have a shape that improves the mixing of the combustion mixture as it flows through the throttle device.
  • the throttle device can force the combustion mixture to flow through a flow path inside the throttle device that has constrictions and/or baffles, for example, to form a winding flow path.
  • the resulting homogenization of the combustion mixture can significantly contribute to improving flame stability and thus help prevent flashbacks and the occurrence of combustion noise.
  • the throttle device can be arranged directly adjacent to the burner outlet element.
  • the throttle device can be aligned and arranged parallel to the burner outlet element.
  • the distance between the throttle device and the burner outlet element can be minimized, while maintaining a technically necessary distance.
  • a technically necessary distance can be achieved by avoiding contact between the throttle device and the burner outlet element, which could be accompanied by noise.
  • this design allows only a small amount of combustion mixture to accumulate in the space between the throttle device and the burner outlet element, thereby reducing the likelihood and intensity of flashback and the occurrence of combustion noise.
  • the throttle device can advantageously be attached using the same fastening means as the burner outlet element.
  • at least one spacer and/or at least one sealing element can be arranged between the burner outlet element and the throttle device to prevent the escape of combustion mixture and noise caused by contact between the burner outlet element and the throttle device.
  • the distance between the burner outlet element and the throttle device can be less than 50, 15, 10, or 5 millimeters.
  • a particularly effective reduction in burner noise has been observed with a distance between the burner outlet element and the throttle device in a range of 5 millimeters to 15 millimeters. Flashback can also be avoided, especially with a small distance between the burner outlet element and the throttle device.
  • the throttle device can be constructed in multiple layers.
  • two or three layers of the throttle device can be arranged adjacent to the burner outlet element.
  • the individual layers of the throttle device can be separated by intermediate layers that provide a sealing effect and/or absorb vibrations.
  • Fig. 1 shows, by way of example and schematically, a heater 10.
  • This can comprise a burner arrangement 1 arranged at least partially in a combustion chamber 22.
  • Combustion air can be sucked in from the environment via an air supply 13 in a flow direction 15 by means of a conveying device 14, which is designed here as a fan.
  • the fan 14 can have an electric motor as a drive, which can be connected to a speed controller 24, which can regulate a speed of the conveying device 14 by means of a pulse width modulated (PWM) signal.
  • a gas valve 12 can add fuel gas (here hydrogen) from a fuel gas supply 11 to the sucked-in air mass flow at a mixing point 19 and can comprise a safety valve and a fuel gas control valve for controlling the mass flow of fuel gas to be added.
  • the generated combustion mixture of fuel gas and combustion air can flow via a mixture channel 20 to the burner arrangement 1 and be ignited there by an ignition device. Heat generated during combustion can be transferred by means of a heat exchanger 21, for example to
  • the burner assembly 1 comprises a burner hood 2, a burner cavity 25, an inlet 3 for the combustion mixture from the mixture channel 20, a burner outlet element 4 and a throttle device 5, wherein the inlet 3, the burner plate 4, the burner cavity 25 and the throttle device 5 are at least partially arranged in the burner hood 2.
  • the burner outlet element 4 of the burner assembly 1 can be as in Fig. 1 shown, have a cylindrical shape, which can be attached with a base surface to a burner door as a burner hood 2 in such a way that combustion mixture can flow from the mixture channel 20 through the inlet 3 into the burner hood 2 and thus the burner cavity 25.
  • the combustion products can be discharged to the outside in the flow direction 15 via an exhaust gas channel 18 arranged in the heater 10 and an exhaust gas system 17.
  • the heater 10 shown here is configured for the combustion of hydrogen.
  • the heater 10 can have a (device for) flame monitoring 26, which can be embodied here, for example, as an electrode for measuring ionization current.
  • a (device for) flame monitoring 26 can be embodied here, for example, as an electrode for measuring ionization current.
  • another sensor e.g., a thermal, optical, acoustic, or chemical sensor, can be provided to fulfill the flame monitoring function.
  • a sensor for UV (ultraviolet) radiation emitted by the flame has proven particularly suitable for flame monitoring 26 of a flame 16 of hydrogen combustion.
  • a control and regulation device 23 can be configured to regulate the heater 10. For this purpose, it can be electrically connected, for example, to the speed control 24, the conveyor device 14, the gas valve 12, and the flame monitor 26.
  • Fig. 2 shows in detail and schematically a burner arrangement 1, which has a burner hood 2, an inlet 3 for the combustion mixture from the mixture channel 20, a burner outlet element 4 and a throttle device 5, wherein the inlet 3 partially, the burner outlet element 4 (completely) and the throttle device 5 (completely) are arranged in the burner hood 2.
  • the burner outlet element 4 of the burner arrangement 1 has a flat/plane shape here. Via the inlet 3, in particular by means of the conveying device 14, the combustion mixture is introduced into the burner arrangement 1 in the flow direction. There, the combustion mixture then encounters the (flat/plane) throttle device 5, through which it flows to the downstream burner outlet element 4. The combustion mixture also flows through the burner outlet element 4 before it is finally combusted on the opposite side in a flame region 16. This represents a normal or desired combustion situation.
  • Fig. 3 shows a further illustration of a burner arrangement 1 of the heater 10, in which the structure and arrangement of the throttle device 5 can be seen.
  • the burner arrangement 1 shown comprises a flat burner outlet element 4, which is arranged together with the throttle device 5 in or on the burner hood 2.
  • the throttle device 5 and the burner outlet element 4 are arranged parallel and directly adjacent.
  • the throttle device comprises a first layer 6 and a second layer 7, which are also positioned parallel and directly adjacent.
  • a sealing element 8 is arranged between the burner hood 2 and the first layer 6 of the throttle device 5, between the first layer 6 and the second layer 7 of the throttle device 5 and between the second layer 7 and the burner outlet element 4.
  • the sealing element 8 can also ensure a minimum distance between the adjacent components.
  • the first layer 6 and the second layer 7, or the throttle device 5 and the burner outlet element 4, as well as the sealing elements 8, can be attached using the same fastening means 9, which in the example are designed as screws.
  • the invention is also very well suited for retrofitting to existing burner assemblies 1.
  • Fig. 4 shows, by way of example, a curve 27 of the ratio of the pressure drop DAs of the burner outlet element 4 and the pressure drop DA D of the throttle device 5, specified in Pascal [Pa] at a flow rate of combustion mixture of 40 liters per minute [l/min]. It was found that in a range in which the pressure drop DA D of the throttle device 5 is at least one-third of the pressure drop DAs of the burner outlet element 4, no noise development 29 occurs, in which Fig. 4 represented by an arrow. At a pressure drop DA D of the throttle device 5 of less than one-third of the pressure drop DAs of the burner outlet element 4, an increasing noise development 28, also represented by an arrow, was observed.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Heizgerät (10), eingerichtet zur Verbrennung eines Verbrennungsgemisches aus einem Brenngas und Verbrennungsluft, das mittels einer Fördereinrichtung (14) durch einen Gemischkanal (20) einer Brenneranordnung (1) zugeführt wird und das Brenngas einem Anteil Wasserstoff von mindestens 80 Prozent aufweist. Die Brenneranordnung (1) umfasst zumindest
einen Brennerhohlraum (25),
ein Brenneraustrittselement (4), durch das Verbrennungsgemisch aus dem Brennerhohlraum (25) in eine Brennkammer (22) austreten kann, sowie
eine im Brennerhohlraum (25) angeordnete Drosseleinrichtung (5) umfasst, die sich über den gesamten, für das durchströmende Verbrennungsgemisch zur Verfügung stehenden, Strömungsquerschnitt erstreckt und einen Druckabfall DAD in einem Bereich von 25 Prozent bis 40 Prozent des Druckabfalls DAB des Brenneraustrittselementes (4) bewirkt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Heizgerät, eingerichtet zur Verbrennung eines Wasserstoff enthaltenden Brenngases.
  • Die Wasserstoffverbrennung in Heizgeräten rückt stärker in den Fokus für die Allgemeinheit, also insbesondere für häusliche Heizgeräte für eine Heizung und/oder eine Warmwasserbereitung.
  • Dabei unterscheidet sich eine Verbrennung von Wasserstoff deutlich von der Verbrennung von fossilen Brenngasen. So können, unter anderem aufgrund einer hohen Flammengeschwindigkeit von Wasserstoff, vermehrt Flammenrückschläge auftreten, die ein die das Heizgerät beschädigen. Neben einem Ausfall des Heizgerätes und damit verbundenen Aufwendungen für die Instandsetzung kann in Folge der Beschädigung auch unverbranntes Brenngas in die Umgebung austreten und ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellen. Häufig wurden Schäden an einem Heizgerät infolge eines Flammenrückschlages an Bauteilen wie einem Gebläse, einem Gasventil oder anderen, Kunststoff als Material umfassenden Komponenten festgestellt.
  • Zur Vermeidung von Flammenrückschlägen sind aus dem Stand der Technik beispielsweise Flammensperren bekannt, die eine Flammenausbreitung in den Brenner verhindern sollen. Eine derartige Flammensperre wird beispielsweise in der EP 4 160 092 A1 vorgeschlagen. Dabei müssen Flammensperren in ihrer Lebenszeit häufig mehrere Flammenrückschlägen ohne Einschränkung der Funktionalität standhalten, wobei sich auch der Strömungswiderstand nicht wesentlich ändern sollte. Diese hohen Anforderungen an die Wirksamkeit und Lebensdauer von Flammensperren können nachteilig kaum, oder nur mit einem erheblichen Aufwand, erfüllt werden.
  • Zudem kann bei der Verbrennung von Wasserstoff eine störende Geräuschentwicklung auftreten. Die Ursachen hierfür könnten in einer, in bestimmten Betriebssituationen auftretenden Flammeninstabilität der Wasserstoffflammen liegen.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lindern oder zu lösen. Insbesondere soll ein Heizgerät mit einer Brenneranordnung angegeben werden, dass effektiv ein Auftreten von Flammenrückschlägen verhindert und langlebig ist. Weiter ist wünschenswert, dass eine einfache nachträgliche Ausrüstung bestehender Heizgeräte mit der Erfindung möglich ist und insbesondere auch nur geringer technische Änderungen bedarf.
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
  • Hierzu trägt ein Heizgerät bei, das zur Verbrennung eines Verbrennungsgemisches aus einem Brenngas und Verbrennungsluft eingerichtet ist, wobei das Brenngas einem Anteil Wasserstoff von mindestens 80 Prozent aufweist. Das Verbrennungsgemisch kann mittels einer Fördereinrichtung durch einen Gemischkanal einer Brenneranordnung des Heizgerätes zugeführt werden. Die Brenneranordnung weist zumindest folgendes auf:
    • einen Brennerhohlraum,
    • ein Brenneraustrittselement, durch das Verbrennungsgemisch aus dem Brennerhohlraum in eine Brennkammer austreten kann, sowie
    • eine im Brennerhohlraum angeordnete Drosseleinrichtung, die sich über den gesamten, für das durchströmende Verbrennungsgemisch zur Verfügung stehenden, Strömungsquerschnitt erstreckt und einen Druckabfall DAD in einem Bereich von 25 Prozent bis 40 Prozent des Druckabfalls DAB des Brenneraustrittselementes bewirkt.
  • Das Heizgerät kann der Versorgung eines Gebäudes mit Heizungswärme und/ oder Warmwasser dienen und als wandhängend oder stehend anzuordnen sein. Insbesondere kann das Heizgerät einen Wärmeleistung von bis zu 50 Kilowatt erbringen.
  • Das Heizgerät kann über eine Luftzuführung einen Massestrom Verbrennungsluft mittels einer Fördereinrichtung ansaugen, dem ein, einem vorgegebenen Verbrennungsluftverhältnis, auch als Lambda oder Luftzahl bezeichnet, entsprechender Massestrom Brenngas zugesetzt wird. Das einstehende Verbrennungsgemisch kann über einen Gemischkanal der Brenneranordnung zugeführt werden, und dort in den Brennerhohlraum der Brenneranordnung einströmen um anschließend durch das Brenneraustrittselement in die Brennkammer austreten und dort verbrannt werden. Hierfür kann das Heizgerät eine Zündeinrichtung umfassen, um das Verbrennungsgemisch am Brenneraustrittselement zu entzünden. Die Verbrennungsprodukte können nunmehr über einen Abgaskanal des Heizgerätes einer Abgasanlage des Gebäudes zugeführt werden. Häufig ist bei einem Heizgerät in einer Durchströmungsrichtung desselben gesehen, einem Mischpunkt, in dem der Massestrom Verbrennungsluft und der Massestrom Brenngas zusammengeführt werden, die Fördereinrichtung und der Gemischkanal nachgeordnet. Das Heizgerät kann zur Steuerung des Massestromes Brenngas ein Gasventil aufweisen, das in der Regel ein Gassicherheitsventil und ein Gasregelventil umfassen kann. Das Gasregelventil kann dabei insbesondere ein Schrittmotorventil sein, dass einen definierten Massestrom Brenngas einstellen kann. Alternativ kann das Gasregelventil auch einen Massestrom Brenngas entsprechend einem übermittelten Steuerdruck abgeben. Der Steuerdruck kann dabei in einer Venturieinrichtung erfasst werden und ein Maß für den geförderten Massestrom Verbrennungsluft sein. Diese Ausgestaltung wird auch als pneumatischen Gas-Luftverbund bezeichnet. Das Sicherheitsventil soll ein Austreten unverbrannten Wasserstoffs verhindern und wird beispielsweise bei einem Startvorgang des Heizgerätes erst nach dem Anfahren der Fördereinrichtung für eine, für den Startvorgang geeignete, Startleistung freigegeben. Die vorgenannten Komponenten können alle Teile des Heizgerätes selbst sein.
  • Das Heizgerät kann insbesondere die Brennerleistung an den Bedarf anpassen, was auch als "Modulieren" bezeichnet wird. Hierzu kann bei einem Erkennen eines geänderten Wärmebedarfs, beispielsweise unter Einbeziehung einer Vorlauf- und Rücklauftemperatur eines mit dem Heizgerät verbundenen Heizkreises, ein Regel- und Steuergerät des Heizgerätes eine Leistung des Gebläses des Heizgerätes und damit den Massestrom Verbrennungsluft an den Wärmebedarf anpassen. Gleichzeitig passt eine Regelung den Wasserstoffmassestrom an den sich ändernden Massestrom Verbrennungsluft an. Häufig wird zur Vermeidung von Flammenrückschlägen in niedrigen Leistungsbereichen das Verbrennungsluftverhältnis angepasst, insbesondere der Anteil Verbrennungsluft erhöht. Durch die damit verbundene Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit (bei gleicher Leistung des Heizgerätes) und Senkung der Flammengeschwindigkeit kann das Risiko von Flammenrückschlägen gemindert werden. Trotzdem besteht bei einem Modulationsvorgang des Heizgerätes ein erhöhtes Risiko des Auftretens eines Flammenrückschlages, das durch die hier vorgeschlagenen Maßnahmen gemindert werden kann.
  • Die Brenneranordnung umfasst dabei zumindest einen Brennerhohlraum und ein Brenneraustrittselement, durch das das Verbrennungsgemisch in eine Brennkammer zur Verbrennung austreten kann. Der Brennerhohlraum kann dabei zudem über eine Brennerhaube verfügen, in der häufig ein Einlass für das Verbrennungsgemisch angeordnet ist. Bei einem Brenner in Zylinderform besteht die Brennerhaube häufig in einer Brennertür, die gleichzeitig den Brennraum begrenzt. Bei einem Flachbrenner bzw. einem Brenner mit einem ebenen Brenneraustrittselement kann die Brennerhaube den Brennerhohlraum gegenüber der Umgebung abgrenzen.
  • Das Brenneraustrittselement kann dabei eine zylindrische oder insbesondere ebene Form aufweisen. Das Brenneraustrittselement umfasst eine Vielzahl von Öffnungen, die vom Verbrennungsgemisch durchströmt werden können. Häufig wird ein Brenneraustrittselement auch als Lochblech bezeichnet. Im Regelbetrieb des Heizgerätes tritt das Verbrennungsgemisch durch das Brenneraustrittselement und verbrennt danach oberhalb des Brenneraustrittselements in der Brennkammer.
  • Die Ausgestaltung des Brenneraustrittselementes bedingt einen Druckabfall desselben, der bei der Entwicklung eingestellt wird und insofern bekannt ist oder leicht ermittelt werden kann. Ein Gedanke der Erfindung besteht darin, einen Druckabfall der Drosseleinrichtung in Abhängigkeit des Druckabfalls des Brenneraustrittselementes einzustellen und dadurch ein Auftreten von Flammenrückschlägen signifikant zu mindern.
  • Die Brennkammer kann einen oder mehrere Wärmetauscher umfassen, die bei der Verbrennung entstehende Wärme auf einen in einem Heizkreis zirkulierenden Wärmeträger oder auch Brauchwasser übertragen können. Bei dem Heizgerät kann es sich insbesondere um ein kondensierendes Heizgerät, auch als Brennwertheizgerät bezeichnet, handeln, bei dem das Abgas auf eine Temperatur abkühlt wird, die eine Nutzung der Kondensationswärme des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes ermöglicht.
  • Das Heizgerät ist zur Verbrennung eines Brenngases mit einem Anteil von (reinem) Wasserstoff von mindestens 80 Prozent. Insbesondere kann das Heizgerät zu Verbrennung von einem Brenngas mit einem Anteil von mindestens 90 oder 95 Prozent oder auch weitestgehend reinem Wasserstoff eingerichtet sein.
  • Bei der Drosseleinrichtung handelt es sich um eine Einrichtung bzw. eine Bauteilanordnung, die einen definierten, vorgegebenen Druckabfall des Massestromes Verbrennungsgemisch bei dessen Durchströmung bewirkt. So wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass durch einen vorgegebenen, gezielt eingestellten Druckabfall DAD in Durchströmungsrichtung des Heizgerätes gesehen, vor dem Brenneraustrittselement, die Wahrscheinlichkeit eines Auftretens eines Flammenrückschlages erheblich gesenkt werden kann. Vorteilhaft kann hierzu auf den Einsatz einer Flammensperre, der mit hohen Aufwendungen und möglichen Mängeln hinsichtlich der Langlebigkeit einhergeht, verzichtet werden. Dabei kann die Drosseleinrichtung ein flächiges Gebilde sein, das einen definierten Strömungswiderstand aufweist. Die Drosseleinrichtung kann beispielsweise aus einem Gitter bzw. einer Gitterstruktur, einem Gewebe, einem Lochblech, einem Wabenkörper, einem Schaumkörper bestehen bzw. mit mindestens einer dieser Komponenten ausgebildet sein. Die Drosseleinrichtung bzw. die mindestens eine vorstehende Komponente besteht insbesondere aus einem metallischen Werkstoff.
  • Gemäß einer (alternativen) Ausgestaltung kann die Drosseleinrichtung in einem Gemischkanal des Heizgerätes der Fördereinrichtung angeordnet sein, und zwar in einer Durchströmungsrichtung des Gemisches gesehen nachfolgend der Fördereinrichtung und vorgelagert der Brennkammer.
  • Die Drosseleinrichtung bewirkt einen Druckabfall DAD des durchströmenden Verbrennungsgemisches von mindestens 25 Prozent des Druckabfalls DAs des Brenneraustrittselementes. Insbesondere kann die Drosseleinrichtung einen Druckabfall DAD von mindestens 30 Prozent und insbesondere 33 Prozent oder sogar 40 Prozent des Druckabfalls DAs des Brenneraustrittselementes erzeugen. Ein Druckabfall bezeichnet dabei die Minderung des Druckes bei der Durchströmung des Brenneraustrittselementes bzw. der Drosseleinrichtung mit einem Gas (dem Verbrennungsgemisch). Bei einem derart eingestellten Druckabfall DAD konnte eine erhebliche Minderung des Auftretens von Flammenrückschlägen festgestellt werden. Zudem können bei einem auf den oben genannten Bereich eingestellten Druckabfall DAD auftretende Verbrennungsgeräusche auf ein Minimum reduziert werden bzw. abgestellt werden.
  • Hierfür kann der Druckabfall von Drosseleinrichtung und Brenneraustrittselement in einer Versuchsanordnung ermittelt bzw. gemessen werden, bei der eine Durchströmung von Umgebungsluft mit einem Massestrom von 40 Litern pro Minute bei Umgebungsbedingungen erfolgt. Umgebungsbedingungen liegen insbesondere bei einem normalen Luftdruck von 101,325 Kilopascal und einer Temperatur von 20 Grad Celsius vor.
  • Zudem kann die Drosseleinrichtung eine Form aufweisen, die die Durchmischung des Verbrennungsgemisches beim Durchströmen der Drosseleinrichtung verbessert. Hierzu kann die Drosseleinrichtung das Verbrennungsgemisch zur Durchströmung eines Strömungsweges im Inneren der Drosseleinrichtung zwingen, der Einengungen und/oder Schikanen, beispielsweise zur Ausbildung eines gewundenen Strömungswegs, aufweist. Die damit erreichbare Homogenisierung des Verbrennungsgemisches kann wesentlich zu einer Verbesserung der Flammenstabilität beitragen und damit helfen Flammenrückschläge als auch das Auftreten von Verbrennungsgeräuschen zu vermeiden.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann die Drosseleinrichtung unmittelbar benachbart zu dem Brenneraustrittselement angeordnet sein. Insbesondere kann die Drosseleinrichtung parallel zu dem Brenneraustrittselement ausgerichtet und angeordnet sein. Der Abstand von Drosseleinrichtung und Brenneraustrittselement kann dabei minimiert sein, wobei ein technisch notwendiger Abstand gewahrt werden kann. Ein technisch notwendiger Abstand kann in einer Vermeidung eines Kontaktes von Drosseleinrichtung und Brenneraustrittselement, der mit einer Geräuschbildung einhergehen könnte. In vorteilhafter Weise kann sich bei dieser Ausgestaltung in dem Zwischenraum zwischen Drosseleinrichtung und Brenneraustrittselement nur eine geringer Menge Verbrennungsgemisch ansammeln, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Auftretens und die Intensität eines Flammenrückschlages als auch das Auftreten von Verbrennungsgeräuschen gemindert werden kann.
  • Bei einem ebenen Brenneraustrittselement kann die Drosseleinrichtung vorteilhaft mit den gleichen Befestigungsmitteln des Brenneraustrittselementes befestigt werden. Gegebenenfalls kann mindestens ein Abstandshalter und/ oder mindestens ein Dichtelement zwischen Brenneraustrittselement und Drosseleinrichtung angeordnet sein, um ein Austreten von Verbrennungsgemisch sowie eine Geräuschbildung durch einen Kontakt zwischen Brenneraustrittselement und Drosseleinrichtung zu vermeiden.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann der Abstand zwischen Brenneraustrittselement und Drosseleinrichtung weniger als 50, 15, 10 oder 5 Millimeter betragen. Eine besonders effektive Minderung von Brennergeräuschen wurde bei einem Abstand zwischen Brenneraustrittselement und Drosseleinrichtung in einem Bereich von 5 Millimeter bis 15 Millimeter festgestellt. Auch ein Flammenrückschlag kann besonders mit einem geringen Abstand von Brenneraustrittselement und Drosseleinrichtung vermieden werden kann.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann die Drosseleinrichtung mehrlagig aufgebaut sein. Hierzu können beispielsweise zwei oder drei Lagen der Drosseleinrichtung benachbart zum Brenneraustrittselement angeordnet sein. Die einzelnen Lagen der Drosseleinrichtung können dabei von Zwischenlagen getrennt sein, die eine Dichtwirkung aufweisen und/ oder Vibrationen absorbieren.
  • 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:
    eine Brenneranordnung eines hier vorgeschlagenen Heizgerätes,
    Fig. 3:
    eine weitere Brenneranordnung, und
    Fig. 4:
    Parameterverläufe, die sich beim Betrieb eines hier vorgeschlagenen Heizgerätes einstellen können.
  • Fig. 1 zeigt beispielhaft und schematisch ein Heizgerät 10. Dieses kann eine, zumindest teilweise in einer Brennkammer 22 angeordnete Brenneranordnung 1 umfassen. Über eine Luftzufuhr 13 kann Verbrennungsluft in einer Durchströmungsrichtung 15 mittels einer Fördereinrichtung 14, die hier als Gebläse ausgebildet ist, aus der Umgebung angesaugt werden. Das Gebläse 14 kann einen Elektromotor als Antrieb aufweisen, der mit einer Drehzahlreglung 24 verbunden sein kann, die mittels eines pulsweitenmodulierten (PWM-) Signals eine Drehzahl der Fördereinrichtung 14 regeln kann. Ein Gasventil 12 kann dem angesaugten Luftmassenstrom Brenngas (hier Wasserstoff) aus einer Brenngaszufuhr 11 in einem Mischpunkt 19 zusetzen und ein Sicherheitsventil sowie ein Brenngasregelventil zur Steuerung des zuzusetzenden Massestromes Brenngas umfassen. Das erzeugte Verbrennungsgemisch aus Brenngas und Verbrennungsluft kann über einen Gemischkanal 20 zu der Brenneranordnung 1 strömen und dort von einer Zündeinrichtung entzündet werden. Bei der Verbrennung entstehende Wärme kann mittels eines Wärmetauschers 21 beispielsweise auf einen Wärmeträger eines Heizkreises übertragen werden.
  • Die Brenneranordnung 1 umfasst eine Brennerhaube 2, einen Brennerhohlraum 25, einen Einlass 3 für das Verbrennungsgemisch aus dem Gemischkanal 20, ein Brenneraustrittselement 4 und eine Drosseleinrichtung 5, wobei der Einlass 3, die Brennerplatte 4, der Brennerhohlraum 25 und die Drosseleinrichtung 5 zumindest teilweise in der Brennerhaube 2 angeordnet sind. Das Brenneraustrittselement 4 der Brenneranordnung 1 kann wie in Fig. 1 gezeigt, eine Zylinderform aufweisen, die mit einer Grundfläche an einer Brennertür als Brennerhaube 2 derart befestigt sein kann, dass Verbrennungsgemisch aus dem Gemischkanal 20 durch den Einlass 3 in die Brennerhaube 2 und damit den Brennerhohlraum 25 strömen kann. Die Verbrennungsprodukte können nach der Verbrennung über einen im Heizgerät 10 angeordneten Abgaskanal 18 und eine Abgasanlage 17 in der Durchströmungsrichtung 15 nach außen abgeleitet werden.
  • Das hier gezeigte Heizgerät 10 ist zur Verbrennung von Wasserstoff eingerichtet. Zudem kann das Heizgerät 10 eine (Vorrichtung zur) Flammenüberwachung 26 aufweisen, die hier beispielhaft als Elektrode zur lonisationsstrommessung ausgebildet sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann ein anderer Sensor, z. B. ein thermischer, optischer, akustischer, chemischer Sensor vorgesehen sein, der die Funktion der Flammenüberwachung erfüllt. Als Flammenüberwachung 26 einer Flamme 16 einer Wasserstoffverbrennung hat sich insbesondere der Einsatz eines Sensors für von der Flamme emittierte UV-(Ultraviolett-) Strahlung als geeignet herausgestellt.
  • Ein Regel- und Steuergerät 23 kann zur Regelung des Heizgerätes 10 eingerichtet sein. Hierfür kann dieses beispielsweise mit der Drehzahlreglung 24, der Fördereinrichtung 14, dem Gasventil 12 und der Flammenüberwachung 26 elektrisch verbunden sein.
  • Fig. 2 zeigt im Detail und schematisch eine Brenneranordnung 1, welche eine Brennerhaube 2, einen Einlass 3 für das Verbrennungsgemisch aus dem Gemischkanal 20, ein Brenneraustrittselement 4 und eine Drosseleinrichtung 5 aufweist, wobei der Einlass 3 teilweise, das Brenneraustrittselement 4 (vollständig) und die Drosseleinrichtung 5 (vollständig) in der Brennerhaube 2 angeordnet sind. Das Brenneraustrittselement 4 der Brenneranordnung 1 hat hier eine flache/ebene Gestalt. Über den Einlass 3, insbesondere mittels der Fördereinrichtung 14, wird das Verbrennungsgemisch in die Brenneranordnung 1 in der Durchströmungsrichtung eingeleitet. Dort trifft das Verbrennungsgemisch dann auf die (eben/flächige) Drosseleinrichtung 5, welche es hin zum nachfolgend angeordneten Brenneraustrittselement 4 durchströmt. Auch das Brenneraustrittselement 4 wird vom Verbrennungsgemisch durchströmt, bevor dieses schließlich auf der abgewandten Seite in einem Flammenbereich 16 verbrannt wird. Dies stellt eine normale bzw. gewünschte Verbrennungssituation dar.
  • Fig. 3 zeigt eine weitere Darstellung einer Brenneranordnung 1 des Heizgerätes 10, in der der Aufbau und die Anordnung der Drosseleinrichtung 5 erkennbar ist. Auch die in Fig. 3 gezeigte Brenneranordnung 1 umfasst eine ebenes/ flaches Brenneraustrittselement 4, das mitsamt der Drosseleinrichtung 5 in bzw. an der Brennerhaube 2 angeordnet ist. Drosseleinrichtung 5 und Brenneraustrittselement 4 sind parallel und unmittelbar benachbart angeordnet. Im Beispiel umfasst die Drosseleinrichtung eine erste Lage 6 und eine zweite Lage 7, die gleichfalls parallel und unmittelbar benachbart positioniert sind. Zur Gewährleistung der Dichtheit der Brenneranordnung 1 als auch zu Vermeidung von Vibrationen und einer Geräuschentwicklung sind zwischen der Brennerhaube 2 und der ersten Lage 6 der Drosseleinrichtung 5, zwischen der ersten Lage 6 und der zweiten Lage 7 der Drosseleinrichtung 5 als auch zwischen der zweiten Lage 7 und dem Brenneraustrittselement 4 ein Dichtelement 8 angeordnet. Das Dichtelement 8 kann dabei auch einen Mindestabstand zwischen den angrenzenden Bauteilen gewährleisten. In vorteilhafter Weise können die erste Lage 6 und die zweite Lage 7 bzw. die Drosseleinrichtung 5 und das Brenneraustrittselement 4, als auch die Dichtelemente 8 mit den gleichen Befestigungsmitteln 9, die im Beispiel als Schauben ausgebildet sind, befestigt werden. Insofern ist die Erfindung auch sehr gut für eine Nachrüstung an bestehenden Brenneranordnungen 1 geeignet.
  • Fig. 4 zeigt beispielhaft einen Verlauf 27 des Verhältnisses des Druckabfalls DAs des Brenneraustrittselementes 4 und des Druckabfalls DAD der Drosseleinrichtung 5, angegeben in Pascal [Pa] bei einer Durchströmung mit einem Volumenstrom Verbrennungsgemisch von 40 Litern pro Minute [l/min]. Es wurde herausgefunden, dass in einem Bereich in dem der Druckabfall DAD der Drosseleinrichtung 5 mindestens ein Drittel des Druckabfalls DAs des Brenneraustrittselementes 4 beträgt, keine Geräuschentwicklung 29 auftritt, in der Fig. 4 dargestellt durch einen Pfeil. Bei einem Druckabfall DAD der Drosseleinrichtung 5 kleiner einem Drittel des Druckabfalls DAs des Brenneraustrittselementes 4 konnte eine zunehmende Geräuschentwicklung 28, gleichfalls als Pfeil dargestellt, festgestellt werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brenneranordnung
    2
    Brennerhaube
    3
    Einlass Verbrennungsgemisch
    4
    Brenneraustrittselement
    5
    Drosseleinrichtung
    6
    erste Lage Drosseleinrichtung
    7
    zweite Lage Drosseleinrichtung
    8
    Dichtelement
    9
    Befestigungsmittel
    10
    Heizgerät
    11
    Brenngaszufuhr
    12
    Gasventil
    13
    Luftzufuhr
    14
    Fördereinrichtung
    15
    Durchströmungsrichtung
    16
    Flammenbereich
    17
    Abgasanlage
    18
    Abgaskanal
    19
    Mischpunkt
    20
    Gemischkanal
    21
    Wärmetauscher
    22
    Brennkammer
    23
    Regel- und Steuergerät
    24
    Drehzahlregelung
    25
    Brennerhohlraum
    26
    Flammenüberwachung
    27
    Verlauf
    28
    zunehmende Geräuschentwicklung
    29
    keine Geräuschentwicklung
    DAB
    Druckabfall Brenneraustrittselement
    DAD
    Druckabfall Drosseleinrichtung

Claims (6)

  1. Heizgerät (10), eingerichtet zur Verbrennung eines Verbrennungsgemisches aus einem Brenngas mit einem Anteil Wasserstoff von mindestens 80 Prozent und Verbrennungsluft, das mittels einer Fördereinrichtung (14) durch einen Gemischkanal (20) einer Brenneranordnung (1) zugeführt wird, und
    die Brenneranordnung (1) des Heizgeräts (10) zumindest folgendes umfasst:
    - einen Brennerhohlraum (25),
    - ein Brenneraustrittselement (4), durch das Verbrennungsgemisch aus dem Brennerhohlraum (25) in eine Brennkammer (22) austreten kann,
    - eine im Brennerhohlraum (25) angeordnete Drosseleinrichtung (5), die sich über den gesamten, für das durchströmende Verbrennungsgemisch zur Verfügung stehenden, Strömungsquerschnitt erstreckt und einen Druckabfall DAD in einem Bereich von 25 Prozent bis 40 Prozent des Druckabfalls DAB des Brenneraustrittselementes (4) bewirkt.
  2. Heizgerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Brenneraustrittselement (4) eben ausgebildet ist.
  3. Heizgerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Drosseleinrichtung (5) unmittelbar benachbart zum Brenneraustrittselement (4) angeordnet ist.
  4. Heizgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Drosseleinrichtung (5) zumindest ein Element der nachfolgenden Gruppe umfasst: ein Gitter, ein Gewebe, ein Schaum, ein Lochblech, einen Wabenkörper.
  5. Heizgerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Drosseleinrichtung (5) mehrlagig aufgebaut ist.
  6. Heizgerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Heizgerät (10) einen pneumatischen Gas-Luftverbund bildet.
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