EP4675170A1

EP4675170A1 - Brennerkörper, gasbrenner, heizgerät sowie verwendung und verfahren zur verbrennung von wasserstoff-brenngas

Info

Publication number: EP4675170A1
Application number: EP25185032.7A
Authority: EP
Inventors: Marc Jäger; Thomas Keller
Original assignee: Max Weishaupt Se
Current assignee: Max Weishaupt Se
Priority date: 2024-07-01
Filing date: 2025-06-24
Publication date: 2026-01-07
Also published as: DE102024118585A1

Abstract

Zur deutlichen Verbesserung einer Verbrennung eines Brenngases, welches mindestens 95 Vol.-% Wasserstoff enthält, in einem Gasbrenner (10) für Heizzwecke ist ein Brennerkörper (16) für den Gasbrenner (10) vorgeschlagen worden, der als Brenneroberfläche (38) zum Durchtritt eines vorgemischten Brenngas-Luft-Gemischs in einen Brennraum (14) eine perforierte Metalloberfläche (40) aufweist, die Durchgangslöcher (48) derart aufweist, dass weniger als 5% der Brenneroberfläche (38) geöffnet sind,wobei die Durchgangslöcher (48) Lochdurchmesser D mit 0,4 mm ≤ D ≤ 1,0 mm aufweisen, wobei die Lochdurchmesser D und/oder Lochlängen der Durchgangslöcher variieren.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennerkörper für einen Gasbrenner zur Verbrennung eines Brenngases, welches mindestens 95 Vol.-% Wasserstoff enthält. Weiter betrifft die Erfindung einen Gasbrenner mit einem solchen Brennerkörper. Weiter betrifft die Erfindung ein Heizgerät mit einem solchen Gasbrenner oder einem solchen Brennerkörper. Weiter betrifft die Erfindung die Verwendung eines Brennerkörpers oder eines damit versehenen Gasbrenners oder eines damit versehenen Heizgeräts zur Verbrennung eines Brenngases, welches mindestens 95 Vor.-% Wasserstoff enthält. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verbrennung eines solchen Brenngases.
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Brenner für Heizsysteme, Heizungen und Heizgeräten für die Heizung und Warmwassererzeugung in Gebäuden oder dergleichen.
Zum technologischen Hintergrund wird auf folgende Literaturstellen verwiesen, welche derzeit auf dem Markt erhältliche, als Gasthermen ausgebildete Heizgeräte offenbaren:

[1] "Gas-Brennwertgerät WTC-GW 15/25/32-B (1,9 bis 25 kW)", Firmenbroschüre der Max Weishaupt GmbH, heruntergeladen aus dem Internet am 25.06.2024 unter https://www.weishaupt.de/uploads/tx_weishaupt_documents/documents/8 3217601.pdf
[2] Webseite https://www.weishaupt.de/produkte/heizsysteme-fuer-gasoel/weishaupt-thermo-condens-wtc-gw-15-25-32-kw#tab-21 1-0/; heruntergeladen am 25.06.2024
[3] "Montage- und Betriebsanleitung Gas-Brennwertgerät WTC-GW 15 ... 32-B" )", Firmenbroschüre der Max Weishaupt GmbH, heruntergeladen aus dem Internet am 25.06.2024 unter https://www.weishaupt.de/uploads/tx_weishaupt_documents/documents/8 3307201.pdf

Um die Klimaziele zu erreichen, müssen auch auf dem Gebäudesektor erheblich Treibhausgasemissionen reduziert werden. Wasserstoffverbrennung ist daher auch bei Heizsystemen ein aktuelles Thema. Während Beimischungen von wenigen Volumenprozent Wasserstoff (z.B. bis zu 20 %) zu konventionellen Brenngasen wie Erdgas in vielen Gasthermen nach dem Stand der Technik möglich ist, wirken sich bei größeren Wasserstoff-Anteilen bis hin zu 100 % die Unterschiede von Wasserstoff im Verbrennungs- und Reaktionsverhalten gegenüber Erdgas deutlich aus. Ein Umstand, der häufig zu Problemen führt, ist die hohe Neigung von Wasserstoff zu thermoakustischen Reaktionen, wie z.B. Pulsieren, Dröhnen, Pfeifen, Instabilitäten.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, die Verbrennung eines Brenngases, welches mindestens 95 Vol.-% Wasserstoff enthält, zu Heizzwecken deutlich zu verbessern.
Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung einen Brennerkörper nach Anspruch 1. Ein damit versehener Brenner, ein damit versehenes Heizgerät, Verwendungen der voranstehenden Einheiten sowie ein Verfahren zur Verbrennung sind Gegenstand der Nebenansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schafft gemäß einem Aspekt davon einen Brennerkörper für einen Gasbrenner zur Verbrennung eines Brenngases, welches mindestens 95 Vol.-% Wasserstoff enthält, wobei der Brennerkörper als Brenneroberfläche zum Durchtritt eines vorgemischten Brenngas-Luft-Gemischs in einen Brennraum eine perforierte Metalloberfläche aufweist, die Durchgangslöcher derart aufweist, dass weniger als 5% der Brenneroberfläche geöffnet sind,
wobei die Durchgangslöcher Lochdurchmesser D mit 0,4 mm ≤ D ≤ 1,0 mm aufweisen, wobei die Lochdurchmesser D und/oder Lochlängen der Durchgangslöcher variieren.
Bei einigen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass zueinander benachbarte Durchgangslöcher einen gleichen Lochdurchmesser D aber unterschiedliche Lochlängen aufweisen.
Bei einigen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass mehrere Durchgangslöcher in einer Reihe angeordnet sind, wobei die Lochlängen entlang der Reihe variieren.
Die Lochlängen steigen bei einigen Ausführungsformen innerhalb der Reihe von Durchgangslöchern linear an. Die Lochlängen nehmen bei einigen Ausführungsformen innerhalb der Reihe von Durchgangslöchern linear ab. Bei einigen Ausführungsformen ist zunächst ein linearer Anstieg der Lochlängen und dann eine lineare Verringerung der Lochlängen innerhalb der Reihe von Durchgangslöchern vorgesehen. Bei einigen Ausführungsformen ist zunächst eine lineare Verringerung der Lochlängen und dann eine lineare Vergrößerung der Lochlängen innerhalb der Reihe von Durchgangslöchern vorgesehen.
Bei einigen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass für die zwischen den Zentren benachbarter Durchgangslöcher gemessenen Lochabstände d gilt: 1,4*D ≤ d ≤ 5*D. Insbesondere gilt 1,4*D ≤ d ≤ 4*D. Besonders bevorzugt ist 1,4*D ≤ d ≤ 3*D.
Bei einigen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der Brennerkörper eine Brennerplatte aus Metall ist, deren Hauptoberflächen in nicht perforierten Bereichen eben und parallel zueinander sind.
Bei einigen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Durchgangslöcher in Lochgruppen angeordnet sind, die voneinander durch nicht perforierte Bereiche beabstandet sind. Mit anderen Worten hat der Brennerkörper perforierte Bereiche, in denen eine Gruppe von Durchgangslöchern, insbesondere in vorgegebener Anordnung, vorgesehen ist und nicht-perforierte Bereiche zwischen den Lochgruppen.
Bei einigen Ausführungsformen weisen die Lochgruppen eine Anordnung von X mal Y Durchgangslöchern aufweisen, wobei X ≥ 2 und Y ≥ 2 ist. In bevorzugten Ausführungsformen gilt 2 ≤ X ≤ 8, insbesondere 3 ≤ X ≤ 6, und 2 ≤ Y ≤ yso/d, wobei y_BO die Ausdehnung der effektiven Brenneroberfläche in Richtung von Y ist. Bevorzugt ist 3 ≤ Y ≤ 100.
Bei einigen Ausführungsformen weisen die Lochgruppen eine kreisartige oder ellipsenförmige Anordnung der Durchgangslöcher auf.
Die Durchgangslöcher sind in den einzelnen Lochgruppen bevorzugt quadratisch oder rechteckig angeordnet. Insbesondere sind die Lochgruppen länglich angeordnet (insbesondere Y > X oder Y >> X; mit anderen Worten eine längliche Anordnung von Durchgangslöchern in jeder Lochgruppe). Vorzugsweise sind mehrere längliche angeordnete Lochgruppen mit Abstand zueinander über die Brenneroberfläche oder einen Teilbereich der Brenneroberfläche verteilt. Beispielsweise sind an dem Brennerkörper 3 bis 50 Lochgruppen, insbesondere 3 bis 20 Lochgruppen, vorgesehen, die sich über einen Großteil der Brenneroberfläche in einer Richtung (Y-Richtung) erstrecken und in einer Querrichtung (X-Richtung) gleich beabstandet zueinander sind.
Bei einigen Ausführungsformen sind die Lochgruppen jeweils an einem Wandbereich ausgebildet, der durch eine Ausnehmung oder einen Rücksprung auf der dem Brennraum abgewandten Seite gegenüber nicht perforierten umgebenden Wandbereichen des Brennerkörpers verdünnt ausgebildet ist.
Bei einigen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die jeweils benachbarten Durchgangslöcher mit unterschiedlichen Lochlängen auf einer Seite des Brennerkörpers an relativ zu der Brenneroberfläche schräg geneigten Oberfläche enden.
Bei einigen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die jeweils benachbarten Durchgangslöcher mit unterschiedlichen Lochlängen in einer Ausnehmung oder einen Rücksprung auf der dem Brennraum abgewandten Seite münden, deren Grundfläche schräg geneigt oder kegelförmig oder dachförmig oder keilförmig oder mit wenigstens einer weg vom Brennraum gerichteten Erhebung ausgebildet ist.
Bei einigen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die jeweils benachbarten Durchgangslöcher mit unterschiedlichen Lochlängen sich schräg zur Brenneroberfläche geneigt erstrecken.
Bei einigen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass eine Variation der Lochlänge in die Richtung ausgerichtet ist, in der sich im Betrieb eines mit dem Brennerkörpers versehenen Brenners eine Resonanzfrequenzanregung ausbreitet.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Gasbrenner zur Verbrennung eines Brenngases, welches mindestens 95 Vol.-% Wasserstoff enthält, umfassend eine Mischeinrichtung zum Mischen des Brenngases mit Luft zu einem Brenngas-Luft-Gemisch und einen Brennerkörper nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen zum Zuleiten des Brenngas-Luft-Gemischs in einen Brennraum.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Heizgerät mit einem solchen Gasbrenner und/oder mit einem Brennerkörper nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Verwendung eines Brennerkörpers nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen zur Verbrennung eines Brenngases, welches mindestens 95 Vol.-% Wasserstoff enthält.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Verwendung eines Gasbrenners mit einem Brennerkörper nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen zur Verbrennung eines Brenngases, welches mindestens 95 Vol.-% Wasserstoff enthält.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Verwendung eines Heizgeräts nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen zur Verbrennung eines Brenngases, welches mindestens 95 Vol.-% Wasserstoff enthält.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zur Verbrennung eines Brenngases, welches mindestens 95 Vol.-% Wasserstoff enthält, umfassend:

a) Bereitstellen eines Brennerkörpers nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen,
b) Mischen des Brenngases mit Luft zu einem Brenngas-Luft-Gemisch und
c) Leiten des Brenngas-Luft-Gemischs durch den Brennerkörper in einen Brennraum, um dort eine Flamme zu erzeugen.

Bei einigen Ausführungsformen enthält Schritt a) die Schritte:

a1) Feststellen einer Schwingungsmode oder einer Eigenschwingform der Resonanzfrequenz eines Brennraums, in dem die Verbrennung stattfinden soll, und deren Ausbreitungsrichtung und
a2) Bereitstellen des Brennerkörpers derart, dass der Durchmesser D und/oder die Lochlänge entlang der festgestellten Ausbreitungsrichtung variiert.

Bei einigen Ausführungsformen enthält Schritt a2) die Schritte:

a2.1 Anordnen der Durchgangsöffnungen in Lochgruppen und
a2.2 Ausbilden der Durchgangsöffnungen derart, dass die Lochlänge in jeder Lochgruppe entlang der Ausbreitungsrichtung, insbesondere linear, zunimmt oder/und abnimmt.

Einige Aspekte, Effekte und technische Vorteile besonders bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden näher erläutert.
Aspekte der Erfindung betreffen Einrichtungen zur Wasserstoffverbrennung bei Heizsystemen. Insbesondere bei größeren Anteilen bis hin zu 100% wirken sich die Unterschiede im Verbrennungs- bzw. Reaktionsverhalten gegenüber Erdgas deutlich aus. Ein Umstand, der häufig zu Problemen führt, ist die hohe Neigung zu thermoakustischen Reaktionen (Pulsieren, Dröhnen, Instabilitäten). Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen Ansätze, die dieses Problem lösen.
Einige Ausführungsformen finden in Gasbrennern für Heizsysteme Verwendung.
Insbesondere betreffen einige Ausführungsformen eine Einrichtung in einem Brenner mit Applikation in einem Heizgerät (Gasgerät), sowie einen solchen Brenner und ein solches Heizgerät. Der Brenner ist zur Verbrennung von reinem Wasserstoff bzw. gasförmigen Brennstoffen mit mindestens 95 vol.-% Anteil an Wasserstoff plus Beimischungen aus inerten und anderen brennfähigen Gasen respektive Odorierungsmitteln (im Weiteren Brenngas genannt) eingerichtet.
Ausführungsformen der Erfindung haben den besonderen Vorteil, die Flammenstabilität für Wasserstoff zu verbessern.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird Brenngas/Luft-Gemisch vollständig oder partiell vorgemischt einer Brenneroberfläche zugeführt.
Ein wesentlicher Teil des Brenners - ein Brennerkörper, an dem die Brenneroberfläche ausgebildet ist - besteht bei einigen Ausführungsformen aus einer perforierten Metalloberfläche (weniger als 5.0 % der Brenneroberfläche geöffnet).
Bei einigen Ausführungsformen ist die Brenneroberfläche planar. Bei anderen Ausführungsformen ist die Brenneroberfläche dreidimensional gekrümmt. Beispielsweise ist bei einigen Ausführungsformen der Brennerkörper zylindermantelförmig oder hat eine halbrunde Form wie ein Methanstrahlungsbrenner.
Die Brenneroberfläche besteht insbesondere aus Metall, vorzugsweise Aluminium. Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit führen zu niedrigeren Brennertemperaturen, was die Resistenz gegenüber Flashback (insbesondere Boundary Layer Flashback) deutlich verbessert.
Bei der Verbrennung von Wasserstoff mit Luft oder anderen Brenngasen mit hohen volumetrischen Anteilen von Wasserstoff, können aufgrund der signifikant höheren Flammengeschwindigkeit von reinem Wasserstoff, Resonanzfrequenzen des Brennraums (longitudinal, transversal oder radial) angeregt werden.
Diese thermoakustischen Phänomene können im gesamten Modulations- und zulässigen Äquivalenzbereich des Brenners auftreten.
Die Anregung der Resonanzfrequenzen kann durch instationäre Wärmefreisetzung in der Verbrennung von Brenngas/Luft Gemischen begünstigt werden.
Die Induktion der instationären Wärmefreisetzung kann durch Schwankungen in der Gemisch-Güte/Brennstoffkonzentration (Zusammensetzung aus Brenngas und Oxidator) sowie durch Veränderungen im Druck-, Temperatur- oder Geschwindigkeitsfeld auf der unverbrannten Seite des Brenners ausgelöst werden.
Bei der Anströmung einer Lochgruppe mit gleichen geometrischen Abmessungen (Durchmesser Lochlänge) kommt es theoretisch zu einer nahezu zeitgleichen Stoffumsetzung der sich umgebenden Flammen im Rahmen der Verbrennung. Das Gemisch mit einer bestimmten Zusammensetzung und Zustandsgröße tritt in die Lochgruppe ein und verlässt sie nahezu gleichzeitig, um oxidiert zu werden. Eine solche Situation kann sich begünstigend auf die thermoakustische Anregung auswirken.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen einen Ansatz zur Dämpfung des Systems: Um das System zu dämpfen, wird durch eine lokale Änderung der konvektiven Zeitskala die Phasenverschiebung zwischen fluktuierenden Schwankungsgrößen und instationärer Wärmefreisetzung verändert.
Dies kann durch unterschiedliche Variationen in der Anordnung oder der Ausbildung der Löcher in dem Brennerkörper erfolgen. Beispielsweise führen unterschiedliche Lochlängen zu einer Phasenverschiebung der Fluktuationsgrößen, die gleichzeitig und in situ in die Löcher einströmen. Dies kann zu einer zeitlich versetzten Beeinflussung der Reaktionsrate und Wärmefreisetzung der einzelnen Flammen führen und sich somit dämpfend auf das akustische Verhalten auswirken.
Die unterschiedlichen Lochlängen führen außerdem zu einer Variation des Druckverlustes, was den Massenstrom durch die einzelnen Löcher in Abhängigkeit von ihrer Länge verändert. Dies hat Auswirkungen auf die Flammenform und kann zusätzlich zu einer Verbesserung des thermoakustischen Verhaltens führen.
Die Löcher mit unterschiedlicher Lochlänge sind insbesondere mit ausreichend geringem Abstand zueinander angeordnet, damit die einzelnen Vormischflammen entscheidenden Einfluss aufeinander haben.
Die Variation der Lochlängen kann durch verschiedene konstruktive Ansätze umgesetzt werden. In den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind beispielhafte Ansätze aufgeführt.
Auf einer Seite des beispielsweise als Brennerplatte ausgebildeten Brennerkörpers wird dieser mit dem Brenngas/Luft-Gemisch angeströmt und auf der anderen Seite verbrannt.
Die in den unterschiedlichen Varianten im Folgenden anhand der Figuren näher beschriebenen Ausführungsbeispiele können in Durchmesser, Lochlänge, Neigung der Löcher und geometrische Ausprägung variieren. Bei einigen Ausführungsformen variieren auch die Lochabstände d innerhalb eines vorbestimmten Bereichs. Außerdem haben die Beispiele keinen Anspruch auf Vollständigkeit.
Die Lochgruppen können global gesehen alle in eine Richtung oder gegeneinander respektive spiegelverkehrt orientiert sein.
Die Ausrichtung der Lochlängenvariation oder sonstigen Variation ist dabei bevorzugt in Richtung der angeregten Resonanzfrequenz (Gedanke: Wellenbrechend).
Die Löcher können geclustert sein. Ein Cluster ist z.B. durch X mal Y Löcher ausgeprägt, wobei X und Y mindestens 2 entspricht. Es sind auch kreisförmige oder anders geartete Formationen denkbar.
Die Löcher können auf unverbrannten Seite angefast oder abgerundet sein, um Druckverlust der Oberfläche zu minimieren.
Um die Flammenstabilität der mageren Wasserstoff-Luft-Verbrennung zu verbessern, sind insbesondere sehr geringe Lochdurchmesser D vorgesehen. Beispielsweise beträgt D 0,4 mm bis 0,8 mm oder bis 1 mm.
Besonders bevorzugt ist die dem Brennraum zugewandte Brenneroberfläche plan. Besonders bevorzugt weist die Brenneroberfläche keine Erhebungen oder Senkungen auf. Insbesondere weist die Wand des Brennerkörpers im Wesentlichen eine gleichbleibende Dicke auf. Lediglich in den nur einen kleineren Teil der Brenneroberfläche ausmachenden perforierten Bereichen, wo sich insbesondere Cluster von Löchern befinden, ist bei einigen Ausführungsformen durch Vertiefungen auf der dem Brennraum abgewandten Seite eine Verdünnung ausgebildet, wobei dort weiter insbesondere zur Variation von Lochlängen die Wandstärke variiert.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung liegt keine periodische Variation vor. Vorzugsweise ist die Variation linear. Besonders bevorzugt ist eine im Querschnitt dreieckförmige Ausbildung der Vertiefung, so dass die Lochlänge von einer Seite des Querschnitts zur anderen gesehen zunächst abnimmt, dann wieder zunimmt.
Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1: eine Explosionsdarstellung mit einem Brenner für ein Heizgerät;
Fig. 2: eine perspektivische Ansicht des Brenners von Fig. 1 im montierten Zustand;
Fig. 3: eine weitere perspektivische Ansicht des Brenners;
Fig. 4: eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines Brennerkörpers des Brenners von Fig. 1 bis 3;
Fig. 5: eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A von Fig. 4;
Fig. 6: eine vergrößerte Darstellung des Details B von Fig 5;
Fig. 7: eine vergrößerte Darstellung des Details C von Fig 4;
Fig. 8: eine perspektivische Darstellung des Brennerkörpers der Fig. 4 bis 7 gemäß der ersten Ausführungsform;
Fig. 9: eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform des Brennerkörpers des Brenners von Fig. 1 bis 3;
Fig. 10: eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A von Fig. 9;
Fig. 11: eine vergrößerte Darstellung des Details B von Fig 9;
Fig. 12: eine vergrößerte Darstellung des Details C von Fig 9;
Fig. 13: eine perspektivische Darstellung des Brennerkörpers der Fig. 9 bis 12 gemäß der zweiten Ausführungsform;
Fig. 14: eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform des Brennerkörpers des Brenners von Fig. 1 bis 3;
Fig. 15: eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A von Fig. 14;
Fig. 16: eine vergrößerte Darstellung des Details B von Fig 15;
Fig. 17: eine perspektivische Darstellung des Brennerkörpers der Fig. 14 bis 16 gemäß der dritten Ausführungsform;
Fig. 18 bis 21: jeweils eine vergrößerte Darstellung jeweils einer weiteren Variante des Details B, wobei die hier jeweils gezeigte Geometrie bei weiteren Ausführungsformen des Brennerkörpers anstelle der in den Fig. 6, 11 oder 16 gezeigten Geometrien vorhanden ist.

In Fig. 1 bis 3 ist ein Gasbrenner 10 für ein Heizgerät gezeigt, wie es bis auf die im Folgenden erläuterten Besonderheiten aus den Literaturstellen [1] bis [3] bekannt ist. Auf weitere Einzelheiten des Heizgeräts wird daher hier nicht näher eingegangen, sondern auf [1] bis [3] verwiesen. Das Heizgerät weist einen in geeigneter Weise definierten Brennraum 14 auf.
Der Gasbrenner 10 gemäß den Fig. 1 bis 3 ist zur Verbrennung eines Brenngases ausgebildet, welches mindestens 95 Vol.-% Wasserstoff enthält.
Der Gasbrenner 10 weist bei der dargestellten Ausführung einen Brennerkörper 16, durch den hindurch das Brenngas - hier als Brenngas-Luft-Gemisch - in den Brennraum 14 gelangt, eine Brennerdichtung 18, Befestiger 20 - beispielsweise Schrauben 22 - für ein Vorverteilblech 24, das Vorverteilblech 24, einen insbesondere als Brennerhaube 26 ausgebildeten Gemischverteiler 28, eine Dichtung 30 für die Brennerhaube 26 und einen Gas-Luft-Verbund als Mischeinrichtung 32 (unterhalb und mit appliziertem Gasventil 34) auf.
Einzelheiten unterschiedlicher Ausführungsformen des Brennerkörpers 16 sind in den Fig. 4 bis 21 gezeigt auf welche für die folgende Beschreibung verwiesen wird.
Der Brennerkörper 16 ist bei den dargestellten Ausführungsformen als ebene Brennerplatte 36 ausgebildet. Bei den dargestellten Ausführungsformen ist der Brennerkörper 16 insbesondere eine Brennerplatte 36 aus Metall, deren Hauptoberflächen 38, 40 in nicht perforierten Bereichen 42 eben und parallel zueinander sind.
Bei weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungen kann der Brennerkörper 16 aber auch gekrümmt ausgebildet sein, beispielsweise als Halbzylindermantel oder als Zylindermantel. Auch bei gekrümmten Ausbildungen sind die Hauptoberflächen 38, 42 vorzugsweise parallel zueinander.
Mit anderen Worten weist der Brennerkörper 16 an den nicht-perforierten Bereichen eine Wand 44 mit gleichbleibender Wandstärke auf.
Der Brennerkörper 16 weist als Brenneroberfläche 38 zum Durchtritt des vorgemischten Brenngas-Luft-Gemischs in den Brennraum 14 eine perforierte Metalloberfläche 46 auf. In der Wandung 44 des Brennerkörpers 16 und damit in der Metalloberfläche 40 sind Durchgangslöcher 48 derart vorgesehen, dass weniger als 5% der Brenneroberfläche 38 geöffnet sind.
Die Durchgangslöcher 48 haben Lochdurchmesser D mit 0,4 mm ≤ D ≤ 1,0 mm.
Zur Dämpfung von Resonanzfrequenzanregungen und zur Stabilisierung der Flammen bei der Verbrennung des Wasserstoff-Brenngases variieren die Lochdurchmesser D und/oder die Lochlängen der Durchgangslöcher 48 des Brennerkörpers 16, um durch eine lokale Änderung der konvektiven Zeitskala die Phasenverschiebung zwischen fluktuierenden Schwankungsgrößen und instationärer Wärmefreisetzung zu verändern.
Während bei weiteren, hier nicht näher dargestellten Ausführungen die lokalen Änderungen durch Variation des Lochdurchmessers D erfolgt, weisen bei den dargestellten Ausführungsformen zueinander benachbarte Durchgangslöcher 48 einen gleichen Lochdurchmesser D aber unterschiedliche Lochlängen auf. Mit anderen Worten werden die lokalen Änderungen durch Variation der Lochlängen umgesetzt. Auch sind, wenngleich in anderen Ausführungen auch Variationen der Lochabstände d vorgesehen sind, bei den dargestellten Ausführungen die Lochabstände d jeweils gleich. Die zwischen den Zentren benachbarter Durchgangslöcher 48 gemessenen Lochabstände d liegen im Bereich zwischen 1,4*D und 5*D.
Die Durchgangslöcher 48 sind bei den dargestellten Ausführungen geclustert. Insbesondere sind die Durchgangslöcher 48 in Lochgruppen 50 an perforierten Bereichen 52 angeordnet, die voneinander durch nicht perforierte Bereiche 42 beabstandet sind.
Es sind unterschiedliche Varianten der Anordnung der Durchgangslöcher 48 in den Lochgruppen 50 möglich. Beispielsweise können die Lochgruppen 50 in Draufsicht eine kreisartige oder ellipsenartige Umrisskontur aufweisen. Bei den dargestellten Ausführungen ist die jeweilige Lochgruppe 50 eine Anordnung von X Durchgangslöcher 48 in einer ersten Richtung (x-Richtung) der Brenneroberfläche 38 und von Y Durchgangslöcher 48 in der anderen Richtung der Brenneroberfläche 38 (y-Richtung), wobei X und Y natürliche Zahlen größer oder gleich 2 sind. Demnach sind diese Lochgruppen insgesamt in Draufsicht quadratisch oder rechteckig. Vorzugsweise sind mehrere gleichartige Lochgruppen 50 vorgesehen, die voneinander um einen vorbestimmten Abstand beabstandet sind, so dass die Lochgruppen 50 über die Brenneroberfläche 38 verteilt sind. Die nicht perforierten Bereiche 42 sind zwischen den Lochgruppen 50 vorgesehen.
In den perforierten Bereichen 52, in denen die Lochgruppen 50 angeordnet sind, ist die Wand 44 des Brennerkörpers 16 verdünnt ausgebildet. Hierzu ist in diesen Bereichen 52 auf der dem Brennraum abgewandten Seite 54 jeweils eine Ausnehmung 56 oder Vertiefung vorgesehen.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 8 eine erste Ausführungsform des Brennerkörpers 16 näher erläutert. Der Brennerkörper 16 dieser Ausführungsforme ist als in Draufsicht auf die Hauptoberflächen 38, 40 rechteckige Brennerplatte 36 ausgebildet, die eine längere Ausdehnung in x-Richtung als in y-Richtung hat. Eine Hauptausbreitungsrichtung von Resonanzfrequenzen ist die x-Richtung.
Die Lochgruppen 50 sind länglich ausgebildet und erstrecken sich in Y-Richtung. Y ist deutlich größer als X. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist X = 3. Der Lochdurchmesser D ist 0,6 mm, die Durchgangslöcher haben einen von Zentrum zu Zentrum gemessenen Lochabstand d von 1,2 mm.
Die Ausnehmungen 56 an der Brennraum-abgewandten Seite 54 sind entsprechend länglich und erstrecken sich in y-Richtung. An den kurzen Enden sind die Ausnehmungen 56 in Draufsicht abgerundet ausgebildet.
Wie man insbesondere den Fig. 5 und 6 entnehmen kann, sind die Ausnehmungen 56 im Querschnitt dachförmig, mit einem dreieckigem Querschnittsbereich, so dass an dem Grund der Ausnehmung 56 eine Dreiecksnut ausgebildet ist. Dadurch variieren die Lochlängen vom einen Rand der Ausnehmung 56 zum anderen Rand der Ausnehmung in x-Richtung gesehen derart, dass die Lochlänge zunächst linear abnimmt, in der Mitte am geringsten ist und dann wieder linear zunimmt.
Die Lochlänge variiert demnach in der x-Richtung pro Lochgruppe 50 derart, dass sie linear abnimmt und dann wieder linear zunimmt.
Beispielsweise sind drei bis acht, insbesondere fünf, Lochgruppen über die x-Richtung verteilt vorgesehen.
Die in den Fig. 9 bis 13 dargestellte zweite Ausführungsform hat sich in Versuchen als beste Ausführung zum Eindämmen unerwünschter thermoakustischer Effekte herausgestellt.
Die zweite Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform mit dem ersten Unterschied, dass die perforierten Bereiche 52 (Bereich der Ausnehmungen 56) mit den Lochgruppen 50 einen deutlich geringeren Abstand (hier beispielsweise 12,5 mm) zueinander haben, so dass sie sich mehr in der Mitte konzentrieren und an den Rändern größere nicht-perforierte Bereiche 42 ausgebildet sind. Beispielsweise liegt der Abstand zwischen den Mitten der perforierten Bereiche im Bereich von 0,05x bis 0,2x, wobei x die Erstreckung der Brennerplatte 36 in der Ausbreitungsrichtung der Eigenschwingung ist.
Als weiterer Unterschied ist der Lochabstand d bei der zweiten Ausführungsform größer als bei der ersten Ausführungsform.
Optimierte Werte für D, d, den Abstand und die Anzahl der Lochgruppen sowie X und Y können leicht für jede Ausführung des Brennerkörpers durch Simulationen und Versuche ermittelt werden. Insbesondere werden dabei die Resonanzfrequenzen des Brennraums 14 ermittelt, und Lochlänge und/oder Lochdurchmesser werden in Richtung der Ausbreitungsrichtung variiert.
In der in den Fig. 14 bis 17 dargestellten Ausführungsform sind die Ausnehmungen 56 kreisrund und die Lochgruppen sind im Umriss quadratisch. Der Grund jeder Ausnehmung 56 ist hinsichtlich der x-Richtung geneigt.
Dadurch nehmen die Lochlängen in x-Richtung gesehen linear zu oder nehmen linear ab.
Wie in Fig. 10 dargestellt, sind in der dritten Ausführungsform die Durchgangslöcher 48 schräg geneigt in die Wand 44 eingebracht. Beispielsweise stellen sie sich so der Ausbreitungsrichtung der Resonanzschwingung entgegen.
Bei der in Fig. 18 dargestellten Variante sind die Durchgangslöcher im Wesentlichen senkrecht zur Brenneroberfläche 38 eingebracht.
Bei der in Fig. 19 dargestellten Variante ist die Lochlänge dadurch variiert, dass der Grund der Ausnehmung 56 eine sich von dem Brennraum abgewandt erstreckende Erhebung 58 aufweist. Bei dieser Variante nehmen die Lochlängen von dem Rand zur Mitte hin zu. Die Erhebung kann auch keilförmig ausgebildet sein und es können mehr als ein Durchgangsloch pro Reihe in x-Richtung im Bereich der Erhebung ausgebildet sein.
Variationen der Lochlängen sind auch durch andere konstruktive Maßnahmen, z.B. Strukturen an der Brennraumoberfläche wie in den Fig. 20 und 21 gezeigt, möglich. Diese Varianten haben sich jedoch in Versuchen als weniger wirksam als die anderen gezeigten Varianten herausgestellt, so dass sie weniger bevorzugt sind.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich durch beliebige Kombinationen der Merkmale der dargestellten Ausführungsformen. Beispielsweise könnten die länglichen perforierten Bereiche 52 mit den Ausnehmungen 56 der ersten oder zweiten Ausführungsform im Querschnitt in x-Richtung (vorzugsweise ist die x-Richtung als Ausbreitungsrichtung der Resonanzschwingungen definiert) so ausgebildet sein, wie dies in einer der Fig. 16, 18-21 gezeigt ist. Ebenso könnten die perforierten Bereiche 52 der dritten Ausführungsform im Querschnitt wie in Fig. 6 oder 11 gezeigt ausgebildet sein.
Zur deutlichen Verbesserung einer Verbrennung eines Brenngases, welches mindestens 95 Vol.-% Wasserstoff enthält, in einem Gasbrenner (10) für Heizzwecke ist ein Brennerkörper (16) für den Gasbrenner (10) vorgeschlagen worden, der als Brenneroberfläche (38) zum Durchtritt eines vorgemischten Brenngas-Luft-Gemischs in einen Brennraum (14) eine perforierte Metalloberfläche (40) aufweist, die Durchgangslöcher (48) derart aufweist, dass weniger als 5% der Brenneroberfläche (38) geöffnet sind,
wobei die Durchgangslöcher (48) Lochdurchmesser D mit 0,4 mm ≤ D ≤ 1,0 mm aufweisen, wobei die Lochdurchmesser D und/oder Lochlängen der Durchgangslöcher variieren.

Bezugszeichenliste:

10: Gasbrenner
14: Brennraum
16: Brennerkörper
18: Brennerdichtung
20: Befestiger
22: Schraube
24: Vorverteilblech
26: Brennerhaube
28: Gemischverteiler
30: Dichtung
32: Mischeinrichtung
34: Gasventil
36: Brennerplatte
38: Brenneroberfläche (dem Brennraum zugewandte Hauptoberfläche)
40: Hauptoberfläche an der dem Brennraum abgewandten Seite
42: nicht perforierter Bereich
44: Wand
46: perforierte Metalloberfläche
48: Durchgangsloch
50: Lochgruppe
52: perforierter Bereich
54: dem Brennraum abgewandte Seite
56: Ausnehmung
58: Erhebung

Claims

Brennerkörper (16) für einen Gasbrenner (10) zur Verbrennung eines Brenngases, welches mindestens 95 Vol.-% Wasserstoff enthält, wobei der Brennerkörper (16) als Brenneroberfläche (38) zum Durchtritt eines vorgemischten Brenngas-Luft-Gemischs in einen Brennraum (14) eine perforierte Metalloberfläche (40) aufweist, die Durchgangslöcher (48) derart aufweist, dass weniger als 5% der Brenneroberfläche (38) geöffnet sind,
wobei die Durchgangslöcher (48) Lochdurchmesser D mit 0,4 mm ≤ D ≤ 1,0 mm aufweisen, wobei die Lochdurchmesser D und/oder Lochlängen der Durchgangslöcher variieren.
Brennerkörper (16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass zueinander benachbarte Durchgangslöcher (48) einen gleichen Lochdurchmesser D aber unterschiedliche Lochlängen aufweisen.
Brennerkörper (16) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass bei mehreren in einer Reihe angeordneten Durchgangslöchern (48) die Lochlängen
3.1 linear ansteigen oder

3.2 linear abnehmen oder

3.3 erst linear abnehmen dann linear ansteigen oder

3.4 erst linear ansteigen und dann linear abnehmen.
Brennerkörper (16) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass für die zwischen den Zentren benachbarter Durchgangslöcher (48) gemessenen Lochabstände d gilt: 1,4*D ≤ d ≤ 5*D.
Brennerkörper (16) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Brennerkörper (16) eine Brennerplatte (36) aus Metall ist, deren Hauptoberflächen (38, 40) in nicht perforierten Bereichen (42) eben und parallel zueinander sind.
Brennerkörper (16) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Durchgangslöcher (48) in Lochgruppen (50) angeordnet sind, die voneinander durch nicht perforierte Bereiche (42) beabstandet sind.
Brennerkörper (16) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die Lochgruppen (50)
7.1 eine Anordnung von X mal Y Durchgangslöchern (48) aufweisen, wobei X ≥ 2 und Y ≥ 2 ist, und/oder

7.2 eine kreisartige oder ellipsenförmige Anordnung der Durchgangslöcher (48) aufweisen, und/oder

7.3 länglich angeordnet sind und, wobei mehrere längliche angeordnete Lochgruppen (50) mit Abstand zueinander über die Brenneroberfläche (38) oder einen Teilbereich der Brenneroberfläche (38) verteilt sind, und/oder

7.4 jeweils an einem Wandbereich ausgebildet sind, der durch eine Ausnehmung (56) oder einen Rücksprung auf der dem Brennraum (14) abgewandten Seite (54) gegenüber nicht perforierten umgebenden Wandbereichen des Brennerkörpers (16) verdünnt ausgebildet ist.
Brennerkörper (16) nach Anspruch 2 oder nach einem der Ansprüche 3 bis 7, soweit auf Anspruch 2 zurückbezogen, dadurch gekennzeichnet,
dass die jeweils benachbarten Durchgangslöcher (48) mit unterschiedlichen Lochlängen
8.1 auf einer Seite (54) des Brennerkörpers (16) an einer relativ zu der Brenneroberfläche (38) schräg geneigten Oberfläche enden; und/oder

8.2 in einer Ausnehmung (56) oder einen Rücksprung auf der dem Brennraum abgewandten Seite (54) münden, deren Grundfläche schräg geneigt oder kegelförmig oder dachförmig oder keilförmig oder mit wenigstens einer weg vom Brennraum (14) gerichteten Erhebung (58) ausgebildet ist; und/oder

8.3 sich schräg zur Brenneroberfläche (38) geneigt erstrecken.
Brennerkörper (16) nach Anspruch 2 oder 8 oder nach einem der Ansprüche 3 bis 7, soweit auf Anspruch 2 zurückbezogen, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Variation der Lochlänge in die Richtung ausgerichtet ist, in der sich im Betrieb eines mit dem Brennerkörpers (18) versehenen Gasbrenners (10) eine Resonanzfrequenzanregung ausbreitet.
Gasbrenner (10) zur Verbrennung eines Brenngases, welches mindestens 95 Vol.-% Wasserstoff enthält, umfassend eine Mischeinrichtung (32) zum Mischen des Brenngases mit Luft zu einem Brenngas-Luft-Gemisch und einen Brennerkörper (16) nach einem der voranstehenden Ansprüche zum Zuleiten des Brenngas-Luft-Gemischs in einen Brennraum (14).
Heizgerät mit einem Gasbrenner (10) nach Anspruch 10 und/oder einem Brennerkörper (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Verwendung eines Brennerkörpers (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, eines Gasbrenners (10) nach Anspruch 10 oder eines Heizgeräts nach Anspruch 11 zur Verbrennung eines Brenngases, welches mindestens 95 Vol.-% Wasserstoff enthält.
Verfahren zur Verbrennung eines Brenngases, welches mindestens 95 Vol.-% Wasserstoff enthält, umfassend:
a) Bereitstellen eines Brennerkörpers (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

b) Mischen des Brenngases mit Luft zu einem Brenngas-Luft-Gemisch und

c) Leiten des Brenngas-Luft-Gemischs durch den Brennerkörper (16) in einen Brennraum (14), um dort eine Flamme zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
dass Schritt a) enthält:
a1) Feststellen einer Schwingungsmode oder einer Eigenschwingform der Resonanzfrequenz des Brennraums und die Ausbreitungsrichtung und

a2) Bereitstellen des Brennerkörpers (16) derart, dass der Durchmesser D und/oder die Lochlänge entlang der festgestellten Ausbreitungsrichtung variiert.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
dass Schritt a2) umfasst:
a2.1 Anordnen der Durchgangsöffnungen (48) in Lochgruppen und

a2.2 Ausbilden der Durchgangsöffnungen (48) derart, dass die Lochlänge in jeder Lochgruppe entlang der Ausbreitungsrichtung, insbesondere linear, zunimmt oder/und abnimmt.