EP4650658A1

EP4650658A1 - Brenneranordnung für ein heizgerät und heizgerät

Info

Publication number: EP4650658A1
Application number: EP25174407.4A
Authority: EP
Inventors: Tony Chaillou; Thomas Lemagnen; Patrice Guen
Original assignee: Vaillant GmbH
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 2024-05-15
Filing date: 2025-05-06
Publication date: 2025-11-19
Also published as: DE102024113631A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung (3) für ein Heizgerät (1), das zur Verbrennung eines Brenngases enthaltend mindestens 80 Prozent Wasserstoff eingerichtet ist. Die Brenneranordnung (3) weist ein Brenneraustrittselement (15), welches einen Brennerhohlraum (33) begrenzt und mindestens einen Ausströmbereich (16) als Feld mit Ausströmöffnungen (17) für das Brenngas aus dem Brennerhohlraum (33) auf. Dabei liegt angrenzend und in Normalenrichtung zu dem mindestens einen Ausströmbereich (16) jeweils ein primärer Flammenraum (28) des Brenneraustrittselementes (15) vor. Die Brenneranordnung (12) umfasst weiter eine, einen Zündfunken in einem Zündfunkenerzeugungsabschnitt (29) ausbildende, Zündeinrichtung (18) mit mindestens einer Elektrode (20, 21), wobei der Zündfunkenerzeugungsabschnitt (29) derart gegenüber dem Brenneraustrittselement (15) positioniert ist, dass dieser außerhalb jedes primären Flammenraums (28) angeordnet ist, und ein Seitenabstand A (26) des Zündfunkenerzeugungsabschnitts (29) zu dem primären Flammenraum (28) folgende Bedingung erfüllt: A ≤ 5 mm + D/3. Dabei ist D ein Brennerabstand (30) des Zündfunkenerzeugungsabschnitts (29) hin zum Brenneraustrittselement (15). Zudem wird ein Heizgerät (1) mit einer hier vorgeschlagenen Brenneranordnung (3) vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung, umfassend eine Zündeinrichtung, für ein Heizgerät und ein Heizgerät, das mit Wasserstoff und/oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas, betreibbar ist.
Wasserstoff als Brenngas oder als Beimischung zu Brenngasen wird immer wichtiger, und es werden große Anstrengen unternommen, neue oder auch existierende Heizgeräte für einen Betrieb damit zu ertüchtigen. Dabei geht es nicht nur um große Anlagen, sondern auch um Wandgeräte zur Erwärmung von Wasser und generell um Heizgeräte für die Beheizung von Gebäuden und/oder die Bereitstellung von warmem Wasser.
Brenner zum Einsatz in derartigen Heizgeräten sind weithin bekannt. Ein solcher Brenner ist häufig an einer Brennertür montiert, die in eine Verbrennungskammer mit umliegendem Wärmetauscher eingebaut ist. Der Brenner kann dabei einen Brennerkörper mit zumindest einem perforierten Bereich, auch als Brenneraustrittselement bezeichnet, aus dem ein vorgemischtes, brennbares Brenngas-Luft-Gemisch (Verbrennungsgemisch) austreten kann, umfassen. Das Verbrennungsgemisch strömt aus einem Gemischkanal durch die Brennertür in den Brenner und tritt durch das Brenneraustrittselement in die Brennkammer aus und verbrennt. Der Brenner kann dabei eine Zylinderform oder (Halb-)Kugelform aufweisen oder flach ausgebildet sein.
Wasserstoff unterscheidet sich hinsichtlich seiner Verbrennung und seines Zündverhaltens in mehreren Punkten von bisher verwendeten Brenngasen. Insbesondere ist eine Wasserstofflamme für das menschliche Auge fast unsichtbar (strahlt aber im ultravioletten Spektralbereich), gibt weniger Wärme ab als eine Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe, erreicht jedoch höhere Temperaturen. Zudem ist eine erheblich niedrigere Zündenergie der Zündeinrichtung zur Inbetriebnahme eines Wasserstoff verbrennenden Brenners notwendig.
Die Zündeinrichtung kann in oder in unmittelbarer Nähe eines Brenneraustrittselementes im Brennraum angeordnet sein und im Rahmen einer Inbetriebnahme mit elektrischer Spannung beaufschlagt einen Zündfunken ausbilden. Hierzu kann die Zündeinrichtung zwei Elektroden umfassen, von denen eine mit der elektrischen Masse des Heizgerätes verbunden ist. Alternativ kann die elektrische Masse durch ein Bauteil des Brenners gebildet werden, beispielsweise dem Brenner bzw. dem Brenneraustrittselement, so dass sich ein Zündfunke zwischen einer Elektrode und dem masseverbundenen Bauteil, das die zweite Elektrode darstellt, ausbildet.
Die vorgenannten abweichenden Eigenschaften einer Wasserstoffflamme führen zu erhöhten Anforderungen an eine Elektrode der Zündeinrichtung, insbesondere deren Hitzebeständigkeit. Dadurch kann die mindestens eine Elektrode der Zündeinrichtung verstärkt verschleißen, was ein Auftreten einer verspäteten Zündung, häufig einer harten Zündung begünstigt. Neben einem notwendigen Austausch der Elektroden der Zündeinrichtung können somit Beschädigungen am Heizgerät auftreten.
Um das Risiko von Beschädigungen des Heizgerätes zu mindern und zur Gewährleistung eines robusten Zündbetriebs wird in der DE 10 2022 124 819 A1 vorgeschlagen, eine primäre und eine sekundäre Zündeinrichtung vorzuhalten und nach einer erfolglosen Zündung mittels der primären Zündeinrichtung, einen erneuten Zündbetrieb mittels der sekundären Zündeinrichtung zu initiieren. Nachteilig erfordert diese Lösung die Montage zweier Zündeinrichtungen und kann den Verschleiß der Zündeinrichtungen aufgrund des Wasserstoffverbrennung nicht mindern.
Die WO 2021/078 949 A1 schlägt für die Zündung eines wasserstoffbetriebenen Brenners vor, in einer ersten Phase des Zündvorganges ein Verbrennungsgemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis (Lambda) von mindestens 1,85 zuzuführen und dieses mittels der Zündeinrichtung zu zünden. Anschließend wird in einer zweiten Phase nach der Zündung ein Verbrennungsgemisch mit einem gegenüber der ersten Phase geminderten Verbrennungsluftverhältnis zugeführt. Eine ähnliche Lösung wird in der DE 10 2022 124 819 A1 vorgeschlagen. Auch diese Verfahren kann den Verschleiß einer Zündeinrichtung bei der Verbrennung von Wasserstoff nicht mindern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen und insbesondere eine Brenneranordnung mit einer Zündeinrichtung sowie ein Heizgerät vorzuschlagen, die einen betriebsbedingten Verschleiß der Zündeinrichtung mindern können und somit einen robusten Zündbetrieb einer wasserstoffverbrennenden Brenneranordnung bzw. eines, diese aufweisenden, Heizgerätes ermöglichen.
Zudem soll die Erfindung die Komplexität einer Brenneranordnung und eines Heizgerätes zumindest nicht wesentlich erhöhen.
Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass die in den 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 Brenneranordnung für ein Heizgerät bei, die zur Verbrennung eines Brenngases enthaltend mindestens 80 Prozent Wasserstoff eingerichtet ist. Die Brenneranordnung weist ein Brenneraustrittselement auf, das einen Brennerhohlraum begrenzt und das mindestens einen Ausströmbereich als Feld mit Ausströmöffnungen für das Brenngas aus dem Brennerhohlraum umfasst. Angrenzend und in Normalenrichtung zu dem mindestens einen Ausströmbereich liegt jeweils ein primärer Flammenraum des Brenneraustrittselementes vor, sowie eine, einen Zündfunken in einem Zündfunkenerzeugungsabschnitt ausbildende, Zündeinrichtung mit mindestens einer Elektrode. Dabei ist der Zündfunkenerzeugungsabschnitt derart gegenüber dem Brenneraustrittselement positioniert, dass dieser außerhalb jedes primären Flammenraums angeordnet ist, und ein Seitenabstand A des Zündfunkenerzeugungsabschnitts zu dem primären Flammenraum folgende Bedingung erfüllt: A ≤ 5 mm + D/3, wobei D ein Brennerabstand des Zündfunkenerzeugungsabschnitts hin zum Brenneraustrittselement ist.
Die Brenneranordnung ist mit jedem Heizgerät einsetzbar, insbesondere mit vormischenden oder teilvormischenden Heizgeräten, die zur Heizung eines Gebäudes und/ oder zur Bereitstellung von erwärmtem Trink- oder Brauchwasser eingerichtet sind. Insbesondere kann das Heizgerät ein Gasheizgerät mit einer Fördereinrichtung sein, die einen Massestrom Verbrennungsluft ansaugt, dem über ein Gasventil ein, einem vorgegebenen Verbrennungsluftverhältnis entsprechender, Massestrom Brenngas zugesetzt wird. Das Heizgerät kann jedoch auch andere Oxidationsmittel als Verbrennungsluft nutzen. Das Verbrennungsgemisch aus Brenngas und Verbrennungsluft kann nunmehr über einen Gemischkanal einer hier vorgeschlagenen Brenneranordnung zugeführt werden. Diese umfasst einen Brenner mit einem Brennerhohlraum, der mit dem Gemischkanal verbunden ist und in den das Verbrennungsgemisch strömen kann, bevor es durch ein Brenneraustrittselement in eine Brennkammer des Heizgeräts austritt und dort verbrennt. Mit der Brennkammer kann mindestens ein Wärmetauscher thermisch gekoppelt sein, der die bei der Verbrennung entstehende Wärme auf einen Wärmeträger, beispielsweise Heizungswasser oder zu erwärmendes Trink- oder Brauchwasser übertragen kann. Der mindestens eine Wärmetauscher kann dazu eingerichtet sein, die bei der Verbrennung entstehenden Abgase auf eine Temperatur unterhalb der Verdampfungstemperatur von Wasser abzukühlen und somit die dabei entstehende Kondensationswärme zu nutzen. Ein derartiges Heizgerät kann auch als Brennwertheizgerät bezeichnet werden. Die Abgase des Verbrennungsprozesses können dann über einen Abgaskanal des Heizgeräts einer Abgasanlage eines Gebäudes zugeführt werden. Die Abgasanlage kann dabei eine einfach- oder mehrfachbelegte Abgasanlage sein. Als mehrfachbelegte Abgasanlagen werden Abgasanlagen bezeichnet, an denen mehrere Heizgeräte angeschlossen sind. Dabei können die Heizgeräte oder die Abgasanlage Rücksströmsicherungen aufweisen, die verhindern, dass Abgas aus einem Heizgerät in ein anderes Heizgerät strömen, und gegebenenfalls austreten kann. Das Heizgerät kann insbesondere ein wandhängendes Heizgerät sein.
Das Heizgerät kann verschiedene Betriebspunkte innerhalb eines Modulations- bzw. Leistungsbereiches anfahren und so mit unterschiedlichen Leistungen betrieben werden. Moderne Heizgeräte weisen zur Steigerung der Effizienz und Standzeit häufig einen großen Modulationsbereich auf, beispielsweise von 2,5 Kilowatt [kW] bis 21 kW oder einer Modulationsrate (Verhältnis von maximaler zu minimaler Leistung) von 1 zu 5. Ein großer Modulationsbereich stellt aufgrund sehr unterschiedlicher Ausbildungen und Eigenschaften der Flamme hohe Anforderungen an den Brenner.
Das Heizgerät und die Brenneranordnung sind zur Verbrennung von (reinem) Wasserstoff oder eines Brenngases mit einem hohen Wasserstoffanteil eingerichtet. Wasserstoff als Brennstoff ist aufgrund der Möglichkeit einer nachhaltigen Herstellung vorteilhaft. Der Wasserstoffanteil im Brenngas kann mindestens 80 Prozent [%], mindestens 90 % oder insbesondere mindestens 95 % betragen.
Der Brenner bzw. das Brenneraustrittselement kann aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt sein. Häufig kommt aufgrund einer guten Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit sowie guter Verfügbarkeit Edelstahl zum Einsatz.
Die geometrische Form des Brenners kann dabei eine beliebige Form sein. Insbesondere sind zylinderförmige oder flache Brenner bekannt. Ein Brennerhohlraum kann mit dem Gemischkanal des Heizgerätes verbunden sein, und eintretendes Brenngas kann über, in einem Brenneraustrittselement angeordnete, Felder von Ausströmöffnungen, die einen Ausströmbereich bilden, aus dem Brennerhohlraum in die Brennkammer des Heizgeräts geleitet werden und verbrennen.
Das Brenneraustrittselement kann als Teilbereich der Brenneroberfläche mit Öffnungen, die vom Verbrennungsgemisch durchströmt werden, verstanden werden. Diese Öffnungen (Löcher) werden auch als Ausströmöffnungen bezeichnet. Eine Fläche einer Brennzone kann dabei als von den Ausströmöffnungen bzw. den Ausströmbereichen umrissene Fläche angesehen werden, also der kleinsten zusammenhängenden Fläche, in der alle Ausströmöffnungen angeordnet sind.
Das Brenneraustrittselement kann dabei eine monolithische Einheit mit dem Brenner bilden oder lösbar, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung, mit diesem verbunden sein.
Dabei kann das Brenneraustrittselement eine, zumindest weitgehend flache (ebene) oder auch eine dreidimensionale Form aufweisen. Eine dreidimensionale Form kann dabei in einer Erhöhung oder Vertiefung gegenüber dem Brenner oder einer anderen Form, beispielsweise einer Auswölbung bestehen.
Das Brenneraustrittselement und der Brenner können dabei die gleiche Materialstärke (Dicke) aufweisen und in einem bekannten Bereich liegen. Es sind, insbesondere bei einem lösbar mit dem Brenner verbundenen Brenneraustrittselement, auch unterschiedliche Materialstärken von Brenneraustrittselement und Brenner denkbar.
Die Ausströmöffnungen in der Brennzone können dabei einem oder insbesondere mehreren flächigen Ausströmbereichen bzw. Feldern zugeordnet sein. Beispielhaft kann die kumulierte (aufsummierte) Fläche der Ausströmöffnungen/Felder eines Ausströmbereiches mehr als 3 Prozent [%] und weniger als 12,5 Prozent der kumulierten Fläche aller Ausströmöffnungen betragen. Ein Abstand zu einem Ausströmbereich kann dabei der Abstand zu einem Umfang des Ausströmbereiches bezeichnen, wobei der Umfang durch eine Verbindungslinie aller äußeren Ausströmöffnungen eines Ausströmbereiches festgelegt sein kann. Der Umfang kann dabei eine Fläche umschließen, innerhalb derer alle Ausströmöffnungen des einen bzw. einzelnen Ausströmbereiches / Feldes liegen.
Zwischen den Ausströmbereichen / Feldern kann jeweils ein Abstand angeordnet sein, in dem keine Ausströmöffnungen angeordnet sind. Das Brenneraustrittselement hat ein oder mehrerer Ausströmbereiche / Felder, in denen die Ausströmöffnungen gruppiert angeordnet sind. Es ist möglich, dass eine Vielzahl von (insbesondere gleichgroßen) Feldern vorgesehen ist. Die Felder sind von einem gasundurchlässigen Abschnitt des Brenneraustrittselements voneinander getrennt bzw. beabstandet, wobei dieser Feldabstand ein Vielfaches der Lochabstände der Ausströmöffnungen innerhalb des Feldes beträgt, beispielsweise sogar größer 20% oder sogar größer 30 % einer Dimension des Feldes ist. Beispielhaft kann der minimale Abstand zwischen zwei Ausströmbereichen mindestens 3 Millimeter [mm] und nicht mehr als 100 Millimeter betragen. Beispielhaft kann der gemäß der vorliegenden Erfindung die Zündeinrichtung, bzw. die mindestens eine Elektrode der Zündeinrichtung in dem Bereich zwischen zwei Ausströmbereichen angeordnet werden.
Beispielhaft kann der Abstand von einer Ausströmöffnung zur nächstliegenden Ausströmöffnung des gleichen Ausströmbereiches / Feldes weniger als 1 Millimeter [mm] sein. Der Abstand sollte in jedem Fall so gewählt sein, dass eine mechanische Stabilität der Ausströmöffnungen gewährleistet ist.
Die Ausströmöffnungen können dabei eine beliebige Form aufweisen, insbesondere werden hier eine kreisrunde, rechteckige, quadratische Form oder die Form eines Langloches genannt. Es ist dabei auch möglich unterschiedliche Formen innerhalb eines Ausströmbereiches zu kombinieren. Die Form der Ausströmbereiche bzw. Ausströmöffnungen ist für die vorliegende Erfindung unerheblich.
Auch die Anordnung der Ausströmöffnungen innerhalb eines Ausströmbereiches / Feldes ist beliebig. Eine geometrische Form des Ausströmbereiches, als äußere Kontur aller Ausströmöffnungen des Ausströmbereiches kann beispielhaft eine rechteckige, quadratische, annähernd kreisrunde, ovale oder auch die Form eines Rhombus oder Vieleckes sein. Die Ausrichtung von nicht rotationssymmetrischen Aufnahmebereichen bezogen auf eine Ausrichtung der Brennzone kann dabei gleichfalls variiert werden. Gemeinhin sollte die Anordnung der Ausströmöffnungen innerhalb eines Ausströmbereiches zumindest näherungsweise gleichverteilt sein.
Beispielhaft kann das (flache) Brenneraustrittselement mindestens acht Ausströmbereiche / Felder aufweisen.
Die Ausströmöffnungen und/ oder die Ausströmbereiche können dabei einen primären Flammenraum in Normalenrichtung zur Oberfläche des Brenneraustrittselementes auf der dem Brennerhohlraum abgewandten Seite desselben definieren. Insofern kann ein primärer Flammenraum insbesondere als (imaginärer) Zylinder mit dem Ausströmbereich / Feld als Grundfläche verstanden werden, dessen Höhe in Richtung einer Ausströmrichtung des Verbrennungsgemisches aus dem Brenneraustrittselement liegen kann. Die Normalenrichtung bezeichnet hier die Normalenrichtung einer Tangentialebene der Oberfläche des Brenneraustrittselementes in der jeweiligen Ausströmöffnung und/ oder dem Ausströmbereich. Die Tangentialebene kann dabei auf die Mitte der Ausströmöffnung oder des Ausströmbereiches bezogen sein.
Die Zündeinrichtung der Brenneranordnung umfasst mindestens eine Elektrode. Ein Zündfunken kann sich in einem vorbekannten bzw. vordefinierten Zündfunkenerzeugungsabschnitt der Elektrode aufgrund einer Zündspannung zwischen der Elektrode und einem elektrischen Massepunkt ausbilden. Der Massepunkt kann dabei durch eine zweite Elektrode oder auch durch ein Bauteil des Brenners, insbesondere dem Brenner oder dem Brenneraustrittselement selbst gebildet werden. Der Zündfunkenerzeugungsabschnitt kennzeichnet dabei einen Bereich, in dem sich bei regulärem Betrieb der Zündeinrichtung ein Zündfunken ausbildet.
Die mindestens eine Elektrode ist dabei derart gegenüber den Ausströmöffnungen bzw. den Ausströmbereichen angeordnet, dass sich der Zündfunke außerhalb bzw. benachbart jedes primären Flammenraums ausbildet, bzw. der Zündfunkenerzeugungsabschnitt außerhalb / benachbart des primären Flammenraums liegt. Mit anderen Worten ist die mindestens eine Elektrode der Zündeinrichtung derart angeordnet, dass diese nicht direkt von (gerade) ausströmendem Verbrennungsgemisch angeströmt wird, wodurch vorteilhaft die Temperatur der Zündeinrichtung während des Betriebs des Brenners gemindert, und somit deren Standzeit gesteigert werden kann. Insofern kann die Zündeinrichtung derart angeordnet sein, dass der Zündfunkenerzeugungsabschnitt in einem lateralen Randbereich um eine Ausströmöffnung und/ oder einen Ausströmbereich ausbildet ist.
Gemäß einer Ausgestaltung kann die gesamte mindestens eine Elektrode außerhalb des primären Flammenraums liegen. Vorteilhaft kann so die gesamte Elektrode vor den hohen Temperaturen des primären Flammenraums geschützt werden.
Alternativ kann auch nur ein Teil der Elektrode mit dem Zündfunkenerzeugungsabschnitt der mindestens einen Elektrode außerhalb des primären Flammenraums liegen. So treten Temperaturspitzen in der Regel an den Enden der Elektroden, also im Bereich des Zündfunkenerzeugungsabschnitts auf, so dass die Standzeit der Zündeinrichtung auch mit dieser Maßnahme erheblich gesteigert werden kann.
Zudem ist die mindestens eine Elektrode der Zündeinrichtung derart angeordnet, dass ein maximaler Seitenabstand A des Zündfunkenerzeugungsabschnitts zu dem nächsten/ benachbarten primären Flammenraum unter Einbeziehung eines Brennerabstands D des Zündfunkens bzw. des Zündfunkenerzeugungsabschnitts zur Brenneroberfläche bestimmt wird, wobei der Seitenabstand A des Zündfunkenerzeugungsabschnitts zu dem nächsten/ benachbarten primären Flammenraum folgende Bedingung erfüllt: $A \leq 5 Millimeter + \frac{D}{3}$ Sollte der Zündfunkenerzeugungsabschnitt nicht parallel zur Brenneroberfläche ausgerichtet sein, kann als Brennerabstand D auch der durchschnittliche Brennerabstand D des Zündfunkenerzeugungsabschnitt von der Brenneroberfläche einbezogen werden. Bei einer Zündeinrichtung, die das Brenneraustrittselement als Massepunkt nutzt und bei der somit der Brennerabstand D vom Brenneraustrittselement zu der Elektrode reicht, kann der durchschnittlich Brennerabstand D in dem halben Abstand der einen Elektrode von dem, den Massepunkt bildenden, Brenneraustrittselement entsprechen. Insofern steigt der mögliche maximale Seitenabstand A des Zündfunkenerzeugungsabschnitts von dem primären Flammenraum mit zunehmendem Brennerabstand D an.
Damit ist ein begrenzter Umfangsbereich mit einem Seitenabstand A benachbart zum primären Flammenraum für die Zündfunkenerzeugung eingerichtet, wobei dieser mit zunehmender Entfernung des Zündfunkenerzeugungsabschnitts von der Brenneroberfläche breiter ausgewählt sein kann.
Dieser begrenzte Umfangsbereich hält dabei ggf. einen lateralen Sicherheitsabstand von mindestens 1,5 mm zum primären Flammenraum ein. Dieser laterale Sicherheitsabstand kann das Risiko einer Überhitzung der Zündeinrichtung weiter minimieren. Der Sicherheitsabstand kann insbesondere in Abhängigkeit der Verlagerung und/oder (zeitweisen) Veränderung der Flamme ausgewählt bzw. bestimmt sein, beispielsweise einer Vibration der Flamme und/oder einer Bewegung / Verschiebung der Flamme, die beispielsweise bei Modulationsvorgängen auftreten können. Der laterale Sicherheitsabstand kann ggf. auch Toleranzen ausgleichen bzw. berücksichtigen, beispielsweise die Ausrichtung der Ausströmöffnungen bezogen auf die Oberfläche des Brenneraustrittselementes, die bei Abweichungen zu einer Verbreiterung des primären Flammenraums führen können.
Bei einem Überschreiten des Seitenabstands A des Zündfunkenerzeugungsabschnitts zum primären Flammenraum besteht insbesondere das Risiko, dass ein Zündfunke das Verbrennungsgemisch nicht entzünden und somit das Heizgerät nicht in Betrieb genommen werden kann. Zudem steigt bei einem zu großen Seitenabstand A das Risiko einer verspäteten Zündung, häufig als harte Zündung bezeichnet, die mit einer starken Geräuschbildung einhergeht und das Heizgerät beschädigen kann. Allerdings sollte der Seitenabstand A auch geometrische Toleranzen, insbesondere der Brennerposition zur Position der Zündeinrichtung bzw. zum Zündfunkenerzeugungsabschnitt mit einbeziehen, die dazu führen könnten, dass der Zündfunkenerzeugungsabschnitt innerhalb des primären Flammenraums liegt.
Dabei kann gemäß einer Ausgestaltung der Zündfunkenerzeugungsabschnitt zumindest teilweise die Bedingung $A \leq 5 Millimeter + \frac{D}{3}$ erfüllen. Gemäß einer weiterführenden Ausgestaltung kann auch der gesamte Zündfunkenerzeugungsabschnitt die genannte Bedingung erfüllen.
Gemäß einer Ausgestaltung genügt der Seitenabstand A folgender Bedingung: $A \leq 5 Millimeter + \frac{D}{5}$ Der maximale Seitenabstand A des Zündfunkenerzeugungsabschnitts zu dem nächstliegenden primären Flammenraum wird somit in dieser Ausgestaltung verringert, wodurch der Zündfunkenerzeugungsabschnitt näher an den durch die Ausströmöffnung bzw. den Ausströmbereich austretenden Massestrom Verbrennungsgemisch gebracht wird. Diese Bedingung ist insbesondere anzuwenden, wenn das Brenngas weniger als 95 Prozent Wasserstoff enthält.
Gemäß einer Ausgestaltung kann ein Elektrodenabstand Z der Zündeinrichtung, in dem sich der Zündfunke bzw. der Zündfunkenerzeugungsabschnitt ausbildet in einem Bereich von 0,5 mm bis 15 mm liegen. Der Elektrodenabstand Z bezeichnet dabei den Abstand der mindestens einen Elektrode von dem Massepunkt, also den Abstand von einer ersten Elektrode zu einer zweiten (einen Massepunkt bildenden) Elektrode oder auch den Abstand von der einen Elektrode zu einem, den Massepunkt bildenden Brenneraustrittselement. Mit anderen Worten kann somit der Elektrodenabstand Z der Länge des Zündfunkens bzw. des Zündfunkenerzeugungsabschnitts entsprechen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann der Elektrodenabstand Z in einem Bereich zwischen 1,0 mm und 3, 5 mm liegen. Vorteilhaft muss bei einem geringeren Abstand eine geringere elektrische Leistung zur Ausbildung des Zündfunkens aufgebracht werden. Dies kann vorteilhaft den Verschleiß der mindestens einen Elektrode und deren Isolatoren mindern und somit die Standzeit der Zündeinrichtung steigern. So benötigt ein wasserstoffhaltiges Brenngas eine geringere Zündenergie gegenüber kohlenstoffhaltigen Brenngasen, was ermöglicht, den Elektrodenabstand Z, der die Länge des sich ausbildenden Zündfunkens darstellt, zu mindern.
Das Brenneraustrittselement kann eine Vielzahl von Ausströmbereichen als Felder mit jeweils einer Vielzahl von Ausströmöffnungen aufweisen, wobei die Felder jeweils einen gasundurchlässigen Rahmen aufweisen, der eine Rahmenbreite von mindestens 2,5 mm, oder insbesondere 3,0 mm [Millimeter] hat. Der Rahmen kann von einem gasundurchlässigen Abschnitt des Brenneraustrittselements gebildet sein, der die Felder voneinander trennt bzw. beabstandet, wobei dieser Feldabstand ein Vielfaches der Lochabstände der Ausströmöffnungen innerhalb des Feldes beträgt, beispielsweise sogar größer 20% oder sogar größer 30 % einer Dimension des Feldes ist. Bevorzugt haben alle Felder einen solchen Rahmen. Es ist insbesondere bevorzugt, dass der Zündfunkenerzeugungsabschnitt gegenüberliegend zu einem solchen Rahmen positioniert ist.
Es ist möglich, dass eine Vielzahl von Ausströmbereichen als Felder mit Ausströmöffnungen vorgesehen sind, die in einer vorbestimmten Brennzone des Brenneraustrittselements angeordnet sind, die (umlaufend oder einschließend) von einem gasundurchlässigen Randbereich umgeben ist, wobei der Zündfunkenerzeugungsabschnitt gegenüber diesem Randbereich positioniert ist. Der Randbereich kann mit äußeren Abschnitten der (Felder-)Rahmen gebildet sein. Die Brennzone kann eine äußere (umlaufende) Erhöhung bzw. Vertiefung aufweisen, die eine Begrenzung darstellt, wobei der Randbereich zwischen den äußersten Feldern und dieser Begrenzung definiert sein kann.
Gemäß einer Ausgestaltung kann der Brenner eine Flammensperre aufweisen. Diese kann zwischen der Brenneroberfläche und dem Gemischkanal angeordnet sein und aus einem bekannten Material bestehen. Eine Flammensperre kann das Risiko eines Flammenrückschlages minimieren.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein Heizgerät vorgeschlagen, aufweisend eine hier vorgestellte Brenneranordnung. Das Heizgerät ist zur Verbrennung eines Brenngases enthaltend Wasserstoff eingerichtet. Die Brenneranordnung kann zumindest teilweise in einer Brennkammer des Heizgerätes angeordnet sein.
Die im Zusammenhang mit der Brenneranordnung erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Heizgerät auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter ("erste", "zweite", ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann ("mindestens ein"), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.
Hier werden somit eine Brenneranordnung für ein Heizgerät und ein Heizgerät vorgeschlagen, welche die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere ermöglichen die Brenneranordnung und das Heizgerät einen dauerhaft robusten Zündbetrieb des Heizgerätes, wobei insbesondere der Verschleiß von Elektroden der Zündeinrichtung gemindert werden kann.
Weiter vorteilhaft kann die Brenneranordnung problemlos auch an bestehenden Heizgeräten nachgerüstet werden, indem eine für das Heizgerät geeignete und der Erfindung entsprechende Zündeinrichtung in die Brenneranordnung integriert wird.
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 nach dem Stand der Technik,
Fig. 3:: eine hier vorgeschlagene Brenneranordnung,
Fig. 4:: eine weitere Darstellung einer hier vorgeschlagenen Brenneranordnung, und
Fig. 5:: eine Schnittdarstellung einer hier vorgeschlagenen Brenneranordnung.

Fig. 1 zeigt beispielhaft und schematisch ein hier vorgeschlagenes Heizgerät 1. Dieses kann über eine Verbrennungsluftzuführung 4 Verbrennungsluft durch eine Fördereinrichtung 2 ansaugen und über ein Gasventil 5 ein wasserstoffhaltiges Brenngas aus einer Gaszuführung 13 dem angesaugten Massestrom Verbrennungsluft zusetzen. Das Verbrennungsgemisch aus Brenngas und Verbrennungsluft kann nunmehr über einen Gemischkanal 11 einer, in einer Brennkammer 8 angeordneten, Brenneranordnung 3 zugeführt werden. Die Brenneranordnung 3 kann an einer Brennertür 6 befestigt und mit dem Gemischkanal 11 derart verbunden sein, dass Verbrennungsgemisch in einen, von einem Brenner 14 umgebenen Brennerhohlraum 33 strömen kann. Anschließend kann das Verbrennungsgemisch über ein Brenneraustrittselement 15 der Brenneranordnung 3 austreten und verbrannt werden. Das Brenneraustrittselement 15 kann in den Brenner 14 integriert sein oder beispielsweise mittels einer Schraubverbindung 25 an diesem befestigt sein. Die Brenneranordnung 3 kann an einer Brennertür 6 angeordnet sein. An der Brennertür 6 kann zudem eine Zündeinrichtung 18 sowie eine Flammenüberwachung 12 angeordnet sein. Die Flammenüberwachung 12 kann einen UV- Sensor, also ein Sensor zur Erfassung ultravioletter Strahlung umfassen. An der Brennkammer 8 kann ein Wärmetauscher 19 angeordnet sein, der bei der Verbrennung entstehender Wärme auf einen Wärmeträger, beispielsweise Heizungswasser, übertragen kann.
Die Verbrennungsprodukte können über ein Abgasrohr 9 aus der Brennkammer 8 einer Abgasleitung (Abgasanlage) 10 zugeführt werden. Das Heizgerät 1 kann zudem ein Regel- und Steuergerät 7 aufweisen. Das Heizgerät 1 ist zur Verbrennung eines Brenngases enthaltend mindestens 80 % Wasserstoff eingerichtet. Hierfür kann der Brenner 3 ein zur Verbrennung von Wasserstoff geeignetes Brenneraustrittselement 15 aufweisen.
Fig. 2 zeigt ebenfalls beispielhaft eine Brenneranordnung 3 nach dem Stand der Technik. Der Brenner 14 umfasst ein Brenneraustrittselement 15 mit Ausströmbereichen 16, in denen Ausströmöffnungen 17 zusammengefasst sind und ist an der Brennertür 6 befestigt. Eine erste Elektrode 20 und eine zweite Elektrode 21 der Zündeinrichtung 18 sind derart angeordnet, dass diese innerhalb einer sich ausbildenden Flamme des Brenners 3 liegen. Die erste Elektrode 20 ist hier eine spannungsführende Elektrode mit einem Isolator 31 und die zweite Elektrode 21 mit der elektrischen Masse des Heizgerätes 1 verbunden. Nachteilig wird durch die Anordnung der Zündeinrichtung 18 innerhalb einer sich ausbildenden Flamme die Zündeinrichtung 18 bzw. die Elektroden 20, 21 zu heiß und verschleißen aufgrund dessen beschleunigt.
Die Fig. 3 zeigt einen Brenner 14 mit einem Brenneraustrittselement 15, bei dem Ausströmöffnungen 17 in Ausströmbereichen 16 zusammengefasst sind. Die Gesamtheit aller Ausströmbereiche 16 (also die kleinste Fläche, in der alle Ausströmbereiche 16 angeordnet sind, kann dabei eine Brennzone 34 ausbilden. Es sind eine erste Position 22, eine zweite Position 23 und eine dritte Position 24 der Zündeinrichtung 18 gezeigt, die der Erfindung entsprechen. Die Brennzone 34 hat einen umlaufenden gasundurchlässigen Randbereich 35.
Fig. 4 zeigt eine nähere Darstellung eines Ausströmbereiches 16, der Ausströmöffnungen 17 zusammenfasst und eine Position der Zündeinrichtung 18 mit erster Elektrode 20 und zweiter Elektrode 21. Die Elektroden 20, 21 sind derart angeordnet, dass sich der Zündfunken in einem gemäß der Erfindung vorgeschlagenen Zündfunkenerzeugungsabschnitt 29 ausbildet. Dieser Zündfunkenerzeugungsabschnitt 29 ist außerhalb eines bzw. lateral um einen primären Flammenraum 28 angeordnet. Die erste Elektrode 20 und die zweite Elektrode 21 haben einen (minimalen) Elektrodenabstand Z 27, in dem sich ein Zündfunke ausbildet. Der Elektrodenabstand Z 27 kann somit auch als Länge des Zündfunkens bzw. des Zündfunkenerzeugungsabschnitts 29 verstanden werden. Ein maximal möglicher Seitenabstand A 26 des sich ausbildenden Zündfunkens bzw. des Zündfunkenerzeugungsabschnitts 29 zu dem primären Flammenraum 28 legt eine Anordnung der mindestens einen Elektrode 20, 21 bezogen auf den Ausströmbereich 16 bzw. die Ausströmöffnungen 17 fest.
Fig. 5 zeigt beispielhaft und schematisch eine Schnittdarstellung des Brenneraustrittselementes 15 durch Ausströmbereiche 16. Ein Seitenabstand D 30, der auch als Vektor verstanden werden kann, erstreckt sich vom Ausströmbereich 16 in einer Normalenrichtung zu einer Tangentialebene 32 des Ausströmbereiches 16. Im primären Flammenraum 28 liegen somit alle, vom Ausströmbereich 16 ausgehenden Vektoren in Normalenrichtung. Gemäß der Erfindung bildet sich der Zündfunke bzw. der Zündfunkenerzeugungsabschnitt 29 nicht im primären Flammenraum 28 aus, wodurch eine Überhitzung der Elektroden 20,21 der Zündeinrichtung 18 verhindert werden kann.
Der Seitenabstand A 26 ist dabei abhängig von dem Brennerabstand D 30 des Zündfunkenerzeugungsabschnitts 29 von dem Brenneraustrittselement 15. Der Brennerabstand D 30 kann auch als Vektor einer Ausströmrichtung 30 des Verbrennungsgemisches aus dem Ausströmbereich 16 des Brenneraustrittselementes 15 in die Brennkammer 8 verstanden werden. Der Seitenabstand A 26 wird in Abhängigkeit des Brennerabstand D 30 definiert als A = 5 mm + D/3. Somit vergrößert sich der Seitenabstand A 26 mit zunehmendem Brennerabstand D 30.
Eine Anordnung der mindestens einen Elektrode 20, 21 der Zündeinrichtung 18 derart, dass sich der Zündfunkenerzeugungsabschnitt 29 in einem maximalen Seitenabstand A 26, der in Abhängigkeit zu dem Brennerabstand D 30 steht, ausbildet kann stellt einen dauerhaft robuster Zündbetrieb des mit Wasserstoff betriebenen Heizgerätes 1 sicher. Vorteilhaft kann der Verschleiß der Elektroden 20, 21 der Zündeinrichtung 18 erheblich gemindert werden, da diese den hohen Temperaturen im primären Flammenraum 28 nicht ausgesetzt sind.

Bezugszeichenliste

1: Heizgerät
2: Fördereinrichtung
3: Brenneranordnung
4: Verbrennungsluftzuführung
5: Gasventil
6: Brennertür
7: Regel- und Steuergerät
8: Brennkammer
9: Abgasrohr
10: Abgasanlage
11: Gemischkanal
12: Flammenüberwachung
13: Gaszuführung
14: Brenner
15: Brenneraustrittselement
16: Ausströmbereich
17: Ausströmöffnung
18: Zündeinrichtung
19: Wärmetauscher
20: erste Elektrode
21: zweite Elektrode
22: erste Position
23: zweite Position
24: dritte Position
25: Schraubbefestigung
26: Seitenabstand A
27: Elektrodenabstand Z
28: primärer Flammenraum
29: Zündfunkenerzeugungsabschnitt
30: Brennerabstand D, Ausströmrichtung Verbrennungsgemisch
31: Isolator
32: Tangentialebene
33: Brennerhohlraum
34: Brennzone
35: Randbereich

Claims

Brenneranordnung (3) für ein Heizgerät (1), eingerichtet zur Verbrennung eines Brenngases enthaltend mindestens 80 Prozent Wasserstoff, aufweisend ein Brenneraustrittselement (15), welches einen Brennerhohlraum (33) begrenzt und mindestens einen Ausströmbereich (16) als Feld mit Ausströmöffnungen (17) für das Brenngas aus dem Brennerhohlraum (33) umfasst, wobei angrenzend und in Normalenrichtung zu dem mindestens einen Ausströmbereich (16) jeweils ein primärer Flammenraum (28) des Brenneraustrittselementes (15) vorliegt, sowie eine, einen Zündfunken in einem Zündfunkenerzeugungsabschnitt (29) ausbildende, Zündeinrichtung (18), umfassend mindestens eine Elektrode (20, 21), wobei der Zündfunkenerzeugungsabschnitt (29) derart gegenüber dem Brenneraustrittselement (15) positioniert ist, dass dieser außerhalb jedes primären Flammenraums (28) angeordnet ist, wobei ein Seitenabstand A (26) des Zündfunkenerzeugungsabschnitts (29) zu dem primären Flammenraum (28) folgende Bedingung erfüllt: A ≤ 5 mm + D/3, wobei D ein Brennerabstand (30) des Zündfunkenerzeugungsabschnitts (29) hin zum Brenneraustrittselement (15) ist.
Brenneranordnung (3) nach Anspruch 1, wobei der Seitenabstand A (26) folgende Bedingung erfüllt: A ≤ 5 mm +D/5.
Brenneranordnung (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zündeinrichtung (18) zwei Elektroden (20, 21) aufweist, die im Bereich des Zündfunkenerzeugungsabschnitts (29) einen minimale Elektrodenabstand Z (27) aufweisen, der im Bereich von 0,5 mm bis 15 mm liegt.
Brenneranordnung (3) nach Anspruch 3, wobei der minimale Elektrodenabstand Z (27) in einem Bereich von 1,0 mm bis 3,5 mm liegt.
Brenneranordnung (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Brenneraustrittselement (15) flach, gewölbt oder zylindrisch ausgebildet ist.
Brenneranordnung (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Brenneraustrittselement (15) eine Vielzahl von Ausströmbereichen (16) als Felder mit jeweils einer Vielzahl von Ausströmöffnungen (17) aufweist, wobei die Felder jeweils einen gasundurchlässigen Rahmen aufweisen, der eine Rahmenbreite von mindestens 2,5 mm hat.
Brenneranordnung (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von Ausströmbereichen (16) als Felder mit Ausströmöffnungen (17) vorgesehen sind, die in einer vorbestimmten Brennzone (34) des Brenneraustrittselements (15) angeordnet sind, die von einen gasundurchlässigen Randbereich (35) umgeben ist, wobei der Zündfunkenerzeugungsabschnitt (29) gegenüber diesem Randbereich (35) positioniert ist.
Heizgerät (1), aufweisend eine Brenneranordnung (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche.