EP4596964A1

EP4596964A1 - Heizgerät, verfahren zum betreiben eines heizgerätes und computerprogramm

Info

Publication number: EP4596964A1
Application number: EP25153579.5A
Authority: EP
Inventors: Patrice Guen; Thomas Lemagnen; Tony Chaillou
Original assignee: Vaillant GmbH
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 2024-01-30
Filing date: 2025-01-23
Publication date: 2025-08-06
Also published as: DE102024102558A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Heizgerät (10), eingerichtet zur Verbrennung eines Verbrennungsgemisches aus einem Brenngas mit einem Anteil Wasserstoff von mindestens 80 Prozent und Verbrennungsluft. Das Verbrennungsgemisch wird mittels einer Fördereinrichtung (6) durch einen Gemischkanal (7) in einen Brennerhohlraum (23) eines Brenners (1) geleitet und tritt durch ein Brenneraustrittselement (4) in eine Brennkammer (3) aus und verbrennt, wobei in dem Gemischkanal (7) oder in dem Brennerhohlraum (23) eine Einrichtung zur gezielten Einstellung des Strömungswiderstandes (5) angeordnet ist. Das Heizgerät (10) ermöglicht einen geräuschfreien Betrieb des Heizgerätes (10) in allen Betriebsbereichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizgerät, ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes sowie ein Computerprogramm. Das Heizgerät ist zur Verbrennung von Wasserstoff eingerichtet.
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. Neben einer erhöhten Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Flammenrückschlägen, die beispielsweise durch eine Flammensperre gemindert werden kann, kann bei der Verbrennung von Wasserstoff eine störende Geräuschentwicklung auftreten. Die Ursachen hierfür könnten in einer, in bestimmten Betriebssituationen auftretenden, Flammeninstabilität der Wasserstoffflammen liegen.
Insbesondere während eines Zündvorganges eines mit Wasserstoff betriebenen Heizgerätes gelingt ein geräuschfreier Betrieb häufig nicht.
Die DE 10 2022 102 753 A1 beschreibt ein Verfahren zur Inbetriebnahme eines Heizgeräts und ein Heizgerät. Dabei können Auswirkungen von Windstößen oder einem zumindest teilweise blockierten Abgaskanal auf einen Zündvorgang mittels einer Drosseleinrichtung, die unter anderem im Gemischkanal angeordnet sein kann, gemindert werden.
Die DE 20 2013 105 011 U1 offenbart eine Regeleinrichtung für eine Brennereinrichtung mit einer Drosseleinrichtung in der Gaszuführung.
Die DE 103 24 706 B3 und die DE 693 15 459 T2 beschreiben Mischvorrichtungen bzw. Gasdosiervorrichtungen für Verbrennungseinrichtungen, die jedoch nicht für eine Verbrennung von Wasserstoff geeignet sind.
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 angegeben werden, das einen geräuschfreien Betrieb in allen Betriebssituationen ermöglicht und langlebig ist.
Zudem soll die Erfindung die Komplexität eines Heizgerätes zumindest nur unwesentlich erhöhen und gegebenenfalls soll auch eine einfache nachträgliche Ausrüstung bestehender Heizgeräte mit der Erfindung möglich sein.
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 mit einem Anteil Wasserstoff von mindestens 80 Prozent und Verbrennungsluft, eingerichtet ist. Das Verbrennungsgemisch wird mittels einer Fördereinrichtung durch einen Gemischkanal in einen Brennerhohlraum eines Brenners und weiter durch ein Brenneraustrittselement in eine Brennkammer geleitet und dort verbrannt. Dabei wird vorgeschlagen, dass in dem Gemischkanal oder in dem Brennerhohlraum eine Einrichtung zur gezielten Einstellung des Strömungswiderstandes angeordnet ist.
Die Einrichtung zur gezielten Einstellung des Strömungswiderstandes kann einen Strömungswiderstand in dem Gemischkanal und/oder in dem Brennerhohlraum erzeugen und damit einen Druckabfall bewirken. Eine gezielte Einstellung umfasst dabei, dass der Strömungswiderstand wahlweise bzw. in einer vorgebbaren Weise vor, während und/oder nach dem Betrieb des Heizgerätes vergrößert und/oder verkleinert werden kann. Insbesondere kann die Einstellung eine strukturelle Veränderung des Gemischkanals und/oder des Brennerhohlraums umfassen, so dass die Geometrie des Durchströmungsbereichs veränderbar ist, also der des Durchströmungsbereichs z.B. (jeweils zumindest teilweise) vergrößert, blockiert, aufgeteilt, abgedeckt, etc. wird. Die Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes kann dabei eine Nulllage aufweisen, in der weitestgehend kein Druckabfall in dem Bereich vorliegt, auf den die Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes einwirkt. Der Druckabfall ist dabei derart gewählt, dass eine Geräuschbildung des Heizgerätes unterbunden wird. Ein hierfür notwendiger Druckabfall kann beispielsweise in Laborversuchen an einem Referenzheizgerät ermittelt und somit vorgegeben sein. Insbesondere kann ein einzustellender Strömungswiderstand bzw. Druckabfall in Abhängigkeit einer Leistung des Heizgerätes oder für bestimmte Betriebsereignisse vorgegeben sein.
Das Heizgerät kann der Versorgung eines Gebäudes mit Heizungswärme und/ oder Warmwasser dienen und als wandhängend oder stehend anzuordnen sein. Insbesondere kann das Heizgerät eine 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 entstehende Verbrennungsgemisch kann über einen Gemischkanal einem Brenner zugeführt werden und dort in einen Brennerhohlraum einströmen um anschließend durch ein Brenneraustrittselement in eine Brennkammer auszutreten und dort verbrannt zu 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.
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 pneumatischer 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 Massestrom Brenngas an den sich ändernden Massestrom Verbrennungsluft an.
Der Brenner kann zumindest einen Brennerhohlraum und ein Brenneraustrittselement umfassen, 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 die Brennkammer 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 aus und verbrennt in der Brennkammer. Dabei bildet sich an dem Brenneraustrittselement, in Durchströmungsrichtung gesehen, nachgeordnet ein Flammenbereich aus.
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 abgekühlt wird, die eine Nutzung der Kondensationswärme des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes ermöglicht. Beispielsweise kann ein primärer Wärmetauscher zumindest teilweise in oder an einer Wandung der Brennkammer angeordnet sein und so eine Übertragung von Wärme des Abgasstromes als auch der Wärmestrahlung der Flamme auf ein Wärmeträgerfluid ermöglichen.
Das Heizgerät ist zur Verbrennung eines Brenngases mit einem Anteil von (reinem) Wasserstoff von mindestens 80 Prozent eingerichtet. Insbesondere kann das Heizgerät zur Verbrennung von einem Brenngas mit einem Anteil von mindestens 90 oder 95 Prozent oder auch weitestgehend reinem Wasserstoff eingerichtet sein.
Eine Inbetriebnahme eines derartigen Heizgerätes kann erfolgen, indem die Fördereinrichtung auf eine Startleistung angefahren wird, bei der das Gasventil öffnet und einen, einem vorgegebenen Verbrennungsluftverhältnis entsprechenden Gasstrom zusetzt. Anschließend kann ein Zündbetrieb des Heizgerätes erfolgen, bei dem die Zündeinrichtung in Betrieb genommen wird und das am Brennaustrittselement austretende Verbrennungsgemisch entzündet. Die Flammenbildung kann, insbesondere bei der Verbrennung von Wasserstoff mit einer unerwünschten Geräuschbildung einhergehen. Es wurde festgestellt, dass diese Geräuschbildung durch einen gezielt erzeugten und vorgegebenen Druckabfall im Gemischkanal oder im Brennerhohlraum unterbunden werden kann. Die Startleistung, bei der der Zündbetrieb erfolgt liegt dabei in der Regel in einem Bereich von 15 Prozent bis 45 Prozent der Nennleistung eines mit Wasserstoff betriebenen Heizgerätes.
Gemäß einer Ausgestaltung kann die Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes eine Gegenkrafteinrichtung umfassen. Diese kann einer von der Durchströmung der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes bewirkten Kraft entgegenwirken und die resultierende Kraft einen Strömungswiderstand der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes einstellen. Beispielhaft kann die Gegenkrafteinrichtung eine Feder sein, und die Gegenkraft eine Federkraft der Feder.
Gemäß einer Ausgestaltung kann die Gegenkrafteinrichtung ein Gewicht sein, dessen Gewichtskraft einer von der Durchströmung der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes bewirkten Kraft entgegenwirkt. Die von der Durchströmung bewirkte Kraft kann beispielsweise ein Öffnungskraft einer Klappe der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes sein. Dabei versteht sich, dass die Wirkrichtung der Gewichtskraft der Einbaulage der Einrichtung zur gezielten Einstellung des Strömungswiderstandes entsprechen muss. So kann diese Ausgestaltung in einem, in Einbauposition vertikal ausgerichteten Bereich des Gemischkanals besonders einfach zu realisieren sein.
Gemäß einer Ausgestaltung kann die Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes eine Klappe umfassen, die im Gemischkanal angeordnet sein kann. Die Klappe kann beispielsweise eine Rückschlagklappe sein, die vorteilhaft die Auswirkungen eines Flammenrückschlages mindern könnte. Die Klappe kann um eine Drehachse drehbar gelagert sein und das Gegengewicht auf der, der Klappe abgewandten Seite der Drehachse angeordnet sein, so dass die Gewichtskraft einer von der Durchströmung bewirkten Öffnungskraft der Klappe entgegenwirkt. So kann auf rein mechanische Weise eine Erhöhung des Strömungswiderstandes der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes in unteren Leistungsbereichen bewirkt werden. Eine vermehrt auftretende Geräuschbildung in unteren Leistungsbereichen kann so unterbunden werden.
Gemäß einer Ausgestaltung kann die Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes elektrisch ansteuerbar bzw. einstellbar sein. Die elektrische Ansteuerung kann dabei einen Schrittmotor oder ein Ventil der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes bedienen.
Gemäß einer Ausgestaltung kann die Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes dazu eingerichtet sein, den Strömungswiderstand in Abhängigkeit eines erfassten Druckes einzustellen.
Gemäß einer Ausgestaltung kann der erfasste Druck ein Differenzdruck sein. Dieser kann beispielhaft zwischen dem Brennerhohlraum und einem Punkt innerhalb des Gehäuses des Heizgerätes außerhalb des Brennerhohlraumes bzw. der Brennerhaube. Hierbei kann eine Luftzuführung des Heizgerätes innerhalb des Gehäuses enden, die Verbrennungsluft somit aus dem Gehäuse des Heizgerätes angesaugt werden. Hierfür kann das Gehäuse mit einer Zuluftleitung, die beispielsweise zumindest teilweise konzentrisch zu der Abgasanlage verläuft, verbunden sein.
Gemäß einer Ausgestaltung kann der Differenzdruck pneumatisch einem Strömungswiderstand der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes einstellen. Der Differenzdruck kann somit für eine pneumatische Ansteuerung der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes genutzt werden.
Gemäß einer Ausgestaltung kann die Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes eine Klappe mit einstellbarer Öffnungsweite oder eine einstellbare Drosseleinrichtung sein. Bei der einstellbaren Drosseleinrichtung kann es sich beispielsweise um eine Venturidüse mit einstellbarer Düsengeometrie handeln. Diese Ausgestaltungen sind für eine elektrische Ansteuerung, beispielsweise mittels eines Schrittmotors geeignet.
Gemäß einer Ausgestaltung kann die Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes innerhalb des Brennerhohlraums angeordnet und (weitestgehend) parallel zum Brenneraustrittselement ausgerichtet sein.
Dabei kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung ein Teil der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes in einer Durchströmungsrichtung des Heizgerätes oder in einer Richtung senkrecht zu der Durchströmungsrichtung beweglich sein und so den Strömungswiderstand einstellen. Diese Ausgestaltung kann insbesondere für eine Anordnung der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes im Brennerhohlraum geeignet sein,
Gemäß einer Ausgestaltung kann ein Teil der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes in Strömungsrichtung beweglich sein und durch eine Annäherung an das Brenneraustrittselement oder einem anderen durchströmten Bauteil den Strömungswiderstand erhöhen. Unterstützend kann der bewegliche Teil der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes auch ein Muster von Durchströmungsöffnungen aufweisen, die zumindest teilweise nicht fluchtend/ deckend mit den Durchströmungsöffnungen des Brenneraustrittselementes ausgerichtet sind.
Gemäß einer Ausgestaltung können mindestens zwei Teile der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes im Brennhohlraum senkrecht zur Durchströmungsrichtung und damit weitestgehend parallel zum Brenneraustrittselement angeordnet sein. Durch eine Bewegung mindestens eines Teils in einer Richtung senkrecht zur Durchströmungsrichtung kann eine teilweise Überdeckung der mindestens zwei Teile bewirkt und damit ein Strömungswiderstand eingestellt werden. Diese Ausgestaltung ist sehr gut für eine pneumatische Ansteuerung geeignet.
Die hier angegebenen Konzepte und Wirkungsweisen zur Einstellung des Strömungswiderstandes können alternativ oder auch kumulativ miteinander eingesetzt werden bzw. verwirklicht sein.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines hier vorgeschlagenen Heizgerätes vorgeschlagen, bei dem bei einem Auftreten eines Betriebsereignisses und/ oder in Abhängigkeit mindestens eines Betriebsparameters, der einen Rückschluss auf eine Leistung des Heizgerätes ermöglicht, mittels der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes ein vorgegebener Strömungswiderstand eingestellt wird.
Gemäß einer Ausgestaltung kann der mindestens eine Betriebsparameter aus nachfolgender Gruppe ausgewählt sein:

eine Drehzahl einer als Gebläse ausgebildeten Fördereinrichtung,
ein Ansteuersignal einer Drehzahlregelung der Fördereinrichtung,
einem erfassten Druck oder Differenzdruck und/ oder
einem sensorisch erfassten Massestrom Verbrennungsluft, Brenngas oder Verbrennungsgemisch.

Gemäß einer Ausgestaltung kann ein Betriebsereignis ein Zündbetrieb des Heizgerätes sein. So kann eine Geräuschbildung während des Zündbetriebes durch eine Erhöhung des Druckabfalls der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes unterbunden werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm(-produkt) vorgeschlagen. Dieses umfasst Befehle, die ein hier vorgeschlagenes Heizgerät dazu veranlassen ein hier vorgeschlagenes Verfahren auszuführen. Die Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes ist hierfür elektrisch ansteuerbar. Das Computerprogramm kann insbesondere auf einem Regel- und Steuergerät eines Heizgerätes ausgeführt werden.
Die im Zusammenhang mit dem Heizgerät erörterten Details, Merkmale und Ausgestaltungen können entsprechend auch bei einem hier vorgeschlagenen Verfahren und dem Computerprogramm auftreten und umgekehrt. Insoweit können die Merkmale betreffend das Heizgerät auch zur Charakterisierung des Verfahrens oder des Computerprogramms herangezogen werden und umgekehrt.
Hier werden somit ein Heizgerät, ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes sowie ein Computerprogramm angegeben, welche die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere tragen das Heizgerät, das Verfahren und die Verwendung zumindest dazu bei, Verbrennungsgeräusche eines mit Wasserstoff betriebenen Heizgerätes auf besonders einfache Art und Weise weitestgehend vollständig zu eliminieren.
Zudem erfordert die Erfindung kaum bauliche Anpassungen an einem Heizgerät und ist für eine Nachrüstung an bestehenden Heizgeräten sehr gut geeignet.
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 Ausgestaltung eines hier vorgeschlagenen Heizgerätes,
Fig. 3: einen Parameterverlauf, der sich bei einem hier vorgeschlagenen Heizgerät einstellen kann,
Fig. 4 und 5: weitere Ausgestaltungen eines hier vorgeschlagenen Heizgerätes,
Fig. 6: einen weiteren Parameterverlauf, der sich bei einem hier vorgeschlagenen Heizgerät einstellen kann,
Fig. 7: eine nähere Darstellung einer Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes.

Fig. 1 zeigt beispielhaft und schematisch ein Heizgerät 10. Dieses kann einen, zumindest teilweise in einer Brennkammer 3 angeordneten Brenner 1 umfassen. Über eine Luftzufuhr 13 kann Verbrennungsluft in einer Durchströmungsrichtung 15 mittels einer Fördereinrichtung 6, die hier als Gebläse ausgebildet ist, aus der Umgebung angesaugt werden. Die Fördereinrichtung 6 kann einen Elektromotor als Antrieb aufweisen, der mit einer Drehzahlreglung 9 verbunden sein kann, die mittels eines pulsweitenmodulierten (PWM-) Signals eine Drehzahl der Fördereinrichtung 6 regeln kann. Ein Gasventil 12 kann dem angesaugten Luftmassenstrom Brenngas (hier Wasserstoff) aus einer Brenngaszufuhr 11 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 7 zum Brenner 1 strömen und dort von einer Zündeinrichtung entzündet werden. Bei der Verbrennung entstehende Wärme kann mittels eines Wärmetauschers 19 beispielsweise auf einen Wärmeträger eines Heizkreises übertragen werden. 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 Brenneraustrittselement 4 des Brenners 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 7 in die Brennerhaube 2 und damit den Brennerhohlraum 23 strömen kann. Der Brenner 1 umfasst eine Brennerhaube 2, einen Brennerhohlraum 23, dem das Verbrennungsgemisch aus dem Gemischkanal 7 zugeführt wird und über ein Brenneraustrittselement 4 in die Brennkammer 3 austritt und unter Bildung eines Flammenbereichs 16 verbrennt.
Das hier gezeigte Heizgerät 10 ist zur Verbrennung von Wasserstoff eingerichtet. Zudem kann das Heizgerät 10 eine (Vorrichtung zur) Flammenüberwachung 14 aufweisen, die 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 14 erfüllt. Als Flammenüberwachung 14 eines Flammenbereichs 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 8 kann zur Regelung des Heizgerätes 10 eingerichtet sein. Hierfür kann dieses beispielsweise mit der Drehzahlreglung 9, der Fördereinrichtung 6, dem Gasventil 12 und der Flammenüberwachung 14 und der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes 5 elektrisch verbunden sein.
Fig. 2 zeigt beispielhaft und schematisch eine Ausgestaltung eines Heizgerätes 10 mit einem weitestgehend ebenen Brenneraustrittselement 4. Der von der Fördereinrichtung 6 geförderte Massestrom Verbrennungsgemisch kann durch den Gemischkanal 7 in den Brennerhohlraum 23 strömen, von dort durch das Brenneraustrittselement 4 austreten und unter Ausbildung eines Flammenbereiches 16 verbrennen. Die Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes 5 kann hier im Brennerhohlraum 23 angeordnet sein und in einer ersten Bewegungsrichtung 20, die weitestgehend in Durchströmungsrichtung 15 ausgerichtet ist, beweglich sein. Durch eine Bewegung der ersten Bewegungsrichtung 20 kann die Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes 5 den Abstand zu dem Brenneraustrittselement 4 mindern und dadurch den Strömungswiderstand steigern. Eine Bewegung der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes 5 kann elektrisch angesteuert mittels eines Schrittmotors erfolgen.
Fig. 3 zeigt Parameterverläufe eines Druckabfalls Δp eines Heizgerätes 10 über der Modulation Mod, die in Prozent [%] der Nennleistung des Heizgerätes 10 angegeben ist. Auf der Abszissenachse sind eine minimale Leistung 27, eine Leistung 28 bei der ein Zündbetrieb eingeleitet wird und eine Nennleistung 29 des Heizgerätes 10 (in der Regel 100 Prozent) markiert. Ein erster Verlauf 25 zeigt den Verlauf des Druckabfalls Δp ohne eine Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes 5. Der zweite Verlauf 26 zeigt den Verlauf des Druckabfalls Δp, mit einer Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes 5 gemäß Fig. 2. Die elektrische Ansteuerung der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes 5 ermöglicht eine gezielte Beeinflussung des Strömungswiderstandes und damit des Druckabfalls Δp, und somit kann eine Erhöhung des Druckabfalls Δp ausschließlich während des Zündbetriebs als Betriebsereignis erfolgen. So gelingt es den Druckabfall Δp während des Zündbetriebs von einem ersten Druckabfall 30 auf einen zweiten Druckabfall 31 zu steuern und dadurch jegliche Geräuschbildung während des Zündbetriebs zu unterbinden.
Fig. 4 zeigt beispielhaft und schematisch eine Ausgestaltung des Heizgerätes 10 mit einer Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes 5 angeordnet im Brennerhohlraum 23, die in einer zweiten Bewegungsrichtung 21 beweglich ist. Die zweite Bewegungsrichtung 21 ist dabei senkrecht zur Durchströmungsrichtung 15 ausgerichtet. Die Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes 5 kann dabei ein erstes Teil 32 und ein zweites Teil 33 umfassen die, durch eine Bewegung in der zweiten Bewegungsrichtung 21 zumindest teilweise überdeckend angeordnet werden können, wodurch ein Strömungswiderstand der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes 5 eingestellt werden kann. Die in Fig. 4 gezeigte Ausgestaltung eignet sich für eine pneumatische Ansteuerung mittels eines Differenzdruckes. Dieser kann beispielsweise zwischen dem Brennerhohlraum 23 und einem Erfassungspunkt innerhalb des Gehäuses des Heizgerätes 1 außerhalb der Brennkammer 3 und außerhalb des Brennerhohlraumes 23.
Fig. 5 zeigt beispielhaft und schematisch eine weitere Ausgestaltung des Heizgerätes 10, bei der die Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes 5 als Klappe 22 im Gemischkanal 7 ausgebildet sein kann. Durch eine Öffnungsweite der Klappe 22 kann ein Strömungswiderstand der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes 5 eingestellt werden.
Fig. 6 zeigt eine mögliche Ausgestaltung der Klappe 22. Diese kann um eine Drehachse 34 drehbar gelagert sein. Eine Gegenkrafteinrichtung 24, hier ausgebildet als ein Gegengewicht, kann eine Schließkraft auf die Klappe 22 bewirken. Eine Öffnung der Klappe 22 wird bewirkt, wenn eine Durchströmung der Klappe 22 in der Durchströmungsrichtung 15 eine Öffnungskraft auf die Klappe 22 bewirkt, die größer als die von der Gegenkrafteinrichtung 24 aufgebrachte Schließkraft ist. Die in Fig. 6 gezeigte, rein mechanische Lösung, ist hervorragend für eine Nachrüstung geeignet.
Fig. 7 zeigt Parameterverläufe des Druckabfalls über der Modulation Mod des Heizgerätes 10, die bei einer Ausgestaltung des Heizgerätes 10 gemäß Fig. 4 oder Fig. 5 auftreten können. So kann die Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes 5 in Fig. 4 und 5 eine Anhebung des zweiten Verlaufs 26, also des Druckabfalls der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes 5 in einem unteren Modulationsbereich bis zu einer Grenzmodulation 35 bewirken. Im Bereich der Grenzmodulation 35 kann die Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes 5 sich vollständig öffnen, bzw. eine Nulllage erreichen, so dass der zweite Verlauf 26 dem ersten Verlauf 25 entsprechen kann.
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Bezugszeichenliste

1: Brenner
2: Brennerhaube
3: Brennkammer
4: Brenneraustrittselement
5: Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes
6: Fördereinrichtung
7: Gemischkanal
8: Regel- und Steuergerät
9: Drehzahlregelung
10: Heizgerät
11: Brenngaszufuhr
12: Gasventil
13: Luftzufuhr
14: Flammenüberwachung
15: Durchströmungsrichtung
16: Flammenbereich
17: Abgasanlage
18: Abgaskanal
19: Wärmetauscher
20: erste Bewegungsrichtung
21: zweite Bewegungsrichtung
22: Klappe
23: Brennerhohlraum
24: Gegenkrafteinrichtung
25: erster Verlauf
26: zweiter Verlauf
27: minimale Leistung
28: Leistung bei Zündbetrieb
29: Nennleistung
30: erster Druckabfall
31: zweiter Druckabfall
32: erstes Teil
33: zweites Teil
34: Drehachse
35: Grenzmodulation

Claims

Heizgerät (10), eingerichtet zur Verbrennung eines Verbrennungsgemisches aus einem Brenngas mit einem Anteil Wasserstoff von mindestens 80 Prozent und Verbrennungsluft, das mittels einer Fördereinrichtung (6) durch einen Gemischkanal (7) in einen Brennerhohlraum (23) eines Brenners (1) geleitet und weiter durch ein Brenneraustrittselement (4) in eine Brennkammer (3) austritt und verbrannt wird, wobei in dem Gemischkanal (7) oder in dem Brennerhohlraum (23) eine Einrichtung zur gezielten Einstellung des Strömungswiderstandes (5) angeordnet ist.
Heizgerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes (5) eine Gegenkrafteinrichtung (24) umfasst, die einer von der Durchströmung der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes (5) bewirkten Kraft entgegenwirkt und die resultierende Kraft einen Strömungswiderstand bzw. Druckabfall der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes (5) einstellt.
Heizgerät (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes (5) elektrisch ansteuerbar ist.
Heizgerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes (5) dazu eingerichtet ist, den Strömungswiderstand in Abhängigkeit eines erfassten Druckes einzustellen.
Heizgerät (10) nach Anspruch 3, wobei der erfasste Druck ein Differenzdruck zwischen dem Brennerhohlraum (23) und einem Erfassungspunkt innerhalb eines Gehäuses des Heizgerätes (1) und außerhalb des Brennerhohlraumes (23).
Heizgerät nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Differenzdruck pneumatisch einem Strömungswiderstand der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes (5) einstellt.
Heizgerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes (5) eine Klappe (22) mit einstellbarer Öffnungsweite oder eine einstellbare Drosseleinrichtung ist.
Heizgerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes (5) innerhalb des Brennerhohlraums (23) angeordnet ist und parallel zum Brenneraustrittselement (4) ausgerichtet ist.
Heizgerät (10) nach Anspruch 8, wobei zumindest ein Teil der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes (5) in einer ersten Bewegungsrichtung (20) in Durchströmungsrichtung (15) des Heizgerätes (10) oder in einer zweiten Bewegungsrichtung (21) senkrecht zu der Durchströmungsrichtung (15) beweglich ist und so der Strömungswiderstand einstellbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei bei Auftreten eines Betriebsereignisses und/ oder in Abhängigkeit mindestens eines Betriebsparameters, der einen Rückschluss auf eine Leistung des Heizgerätes (10) ermöglicht, mittels der Einrichtung zur Einstellung des Strömungswiderstandes (5) ein vorgegebener Strömungswiderstand eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der mindestens eine Betriebsparameter aus folgender Gruppe ausgewählt ist:
- eine Drehzahl einer als Gebläse ausgebildeten Fördereinrichtung (6),

- ein Ansteuersignal einer Drehzahlregelung der Fördereinrichtung (6),

- ein erfasster Druck oder Differenzdruck, und/ oder

- ein sensorisch erfasster Massestrom Verbrennungsluft, Brenngas oder Verbrennungsgemisch.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei ein Betriebsereignis ein Zündbetrieb des Heizgerätes (10) ist.
Computerprogramm umfassend Befehle, die ein Heizgerät (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 9 dazu veranlassen ein Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12 auszuführen.