WO1998015781A1 - Atmosphärischer gasbrenner - Google Patents

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Juergen Stoschek
Marcus Bienzle
Michael Jantzer
Beate Maucher
Thomas-Eckart Frieling
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Robert Bosch Gmbh
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23D2203/10—Flame diffusing means
    • F23D2203/108—Flame diffusing means with stacked sheets or strips forming the outlets

Definitions

  • the invention relates to an atmospheric gas burner for heating devices, in particular water heaters, according to the preamble of the main claim.
  • Gas burners operating according to this principle are known (FR-PS 2 199 853), the burner plate of which is made up of ribs, the ribs being penetrated by a pipe system through which coolant flows in order to reduce the burner plate temperature and flame temperature.
  • the arrangement according to the invention with the features of the main claim has the advantage that it is possible to produce a compact atmospheric gas burner with a low overall height, which at the same time has low pollutant emissions, in particular low NOx, due to flame cooling and complete superstoichiometric premixing (air ratio ⁇ > 1) of the fuel gas with the combustion air and CO values.
  • air ratio ⁇ > 1 air ratio of the fuel gas with the combustion air and CO values.
  • the overall height of a heater provided with this burner can be kept low overall.
  • cylindrical flow channels An advantageous alternative to cylindrical flow channels consists in the formation of elongated flow channels, to which several nozzles are assigned in the inlet area.
  • the injector arrangement consists only of an elongated flow channel, to which all the nozzles for the gas supply are assigned in the inlet area. This further reduces flow resistance, sensitivity to positioning tolerances and manufacturing costs.
  • the injector arrangement, deflection area and mixture distributor can be produced in one piece. Due to the surface-enlarging fins connected to a cooling pipe system, the temperatures on the burner plate are limited to values that allow the use of an elastic seal between the mixture distributor and the burner plate.
  • the pronounced structuring of the burner plate can be achieved by providing one or more set back or shortened set between two non-set back sheet metal ribs.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of the gas burner according to the invention
  • FIG. 2 shows a section of the gas burner along the line AA in FIG. 1
  • FIG. 3 shows an enlarged section of the burner plate
  • 4 shows a plan view of the burner plate
  • FIGS. 5 and 6 show two further embodiments of injectors.
  • FIG. 1 shows a gas burner 10 with a gas supply device 14 which has a nozzle 12 and is spaced apart in the flow direction from a horizontally oriented injector arrangement 16 of the gas burner 10 in such a way that the nozzles 12 are each cylindrical at a distance
  • Flow channel 18 is opposite, the nozzles 12 being arranged at the level of the central axes of the flow channels 18.
  • the central axes of the flow channels 18 run essentially in a straight line, the flow cross section except for an extension 20 in the form of an inlet
  • Inlet area is substantially constant.
  • the ratio length to diameter of the flow channels 18 arranged in the injector 16 is ⁇ 4: 1, deviating from known injector arrangements for gas burners, in which the factor is 10 to 12.
  • a 90 ° deflection region 22 adjoining the injector arrangement 16 in the flow direction of the fuel gas / air mixture merges into a mixture distributor 24 which is widened to the funnel shape and at the outlet of which a burner plate 26 which is sealed off from the mixture distributor 24 is arranged.
  • the burner plate 26, which is fixed with fastening means 28 with respect to the mixture distributor 24, is constructed with fins or ribs 30, 31 (FIG. 3) of different lengths, which are connected to one another by a cooling pipe coil 32 and between them channels or gaps 34 for the passage of the fuel gas Limit the air mixture that is flammable on the side of the burner plate 26 facing the combustion chamber.
  • the ribs 30, 31 made of stainless steel are in good heat-conducting contact with the copper existing cooling tube coils 32 and are connected by this to form a rigid structural unit.
  • the width a of the column 34 is smaller than the so-called extinguishing distance, so that flames cannot strike back into the burner plate 26 or into the mixture distribution zone in front of it.
  • the burner plate 26 is designed so that two shorter ribs 31 are each between two longer ribs 30.
  • the arrangement is such that the edges 36 of the shorter ribs 31 on the combustion chamber side are set back relative to the edges 38 of the longer ribs 30.
  • the burner plate 26 is closed off at the side by end lamellae 44, 46 which protrude into the combustion chamber and prevent the flame arising during combustion from flashing over.
  • FIG. 4 shows a plan view of the burner plate 26 and shows the course of the cooling tube coils.
  • the gas burner 10 operates in the following way:
  • Fuel gas is injected into the flow channels 18 of the injector arrangement 16 via the gas nozzles 12, ambient air being entrained by the fuel gas flow.
  • the entire burner system nozzle pressure, injectors, deflection area, burner plate, etc.
  • the extension 20 designed as an inlet at the inlet of the flow channels 18 enables a low-friction entry of the combustion air into the Flow channel 18.
  • the fuel gas-air mixture that forms in the flow channels 18 strikes the deflection area 22, where the fuel gas is further mixed with the combustion air by swirling. Due to the funnel-shaped mixture distributor 24 which adjoins the deflection region 22, homogenization takes place in addition to the distribution of the mixture; in addition, the reduction in speed converts a high proportion of the dynamic pressure into the static pressure required for combustion.
  • the mixture reacts between or at the downstream edges 36, 38 of the fins 30, 31 with the formation of flames, heat of reaction from the flame roots via the fins 30, 31 to the water to be heated arrives in the coil 32.
  • the flame roots are cooled particularly well here because they also have side contact with the wall regions 42 of the ribs 30.
  • the thermal conductivity of the ribs 30, 31 is by design and / or
  • the material selection is matched to the burner output so that its surface temperature is set to, for example, 400 ° C.
  • FIGS. 5 and 6 show two further injector arrangements in which the cylindrical flow channels 18 are replaced by elongated flow channels, the injector arrangement according to FIG. 6 having only one elongated flow channel 58. In the latter case, all nozzles 12 are then assigned to the flow channel 58.
  • a particularly cost-effective production of the burner is achieved if the injector arrangement (16), deflection area (22) and mixture distributor (24) are made from a die-cast part.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen atmosphärischen Gasbrenner für Heizgeräte, insbesondere Wassererhitzer, mit a) einer mehrere Düsen (12) aufweisenden Gaszufuhreinrichtung (14), b) einer Injektoranordnung (16) mit mindestens einem Strömungskanal (18) für das Brenngs-Luft-Gemisch, c) einem sich in Strömungsrichtung an die Injectoranordnung (16) anschließenden Umlenkbereich (22), der in einen sich erweiternden Gemischverteiler (24) übergeht, und mit d) einer am Auslass des Gemischverteilers (24) angeordneten Brennerplatte (26), die mit Rippen (30, 31) aufgebaut ist, welche durch ein Kühlrohrsystem (32) miteinander verbunden sind und zwischen sich Kanäle bzw. Spalte (34) für den Durchtritt des Brenngas-Luft-Gemisches begrenzen, das auf einer dem Brennraum zugewandten Seite der Brennerplatte (26) entzündbar ist. Damit ist der Bau eines kompakten Gasbrenners mit geringer Bauhöhe möglich, der gleichzeitig niedrige Nox- und CO-Werte aufweist.

Description

Atmosphärischer Gasbrenner
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem atmosphärischen Gasbrenner für Heizgeräte, insbesondere Wassererhitzer, nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es sind nach diesem Prinzip arbeitende Gasbrenner bekannt (FR-PS 2 199 853), deren Brennerplatte aus Rippen aufgebaut ist, wobei zur Reduzierung der Brennerplattentemperatur und Flammentemperatur die Rippen von einem von Kühlmittel durchflossenen Rohrsystem durchsetzt sind.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Anordnung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß die Herstellung eines kompakten atmosphärischen Gasbrenners mit geringer Bauhöhe möglich ist, der gleichzeitig durch Flammenkühlung und vollständige überstöchiometrische Vormischung (Luftzahl λ > 1) des Brenngases mit der Verbrennungsluft niedrige Schadstoffemissionen, insbesondere niedrige NOx und CO- Werte, aufweist. In dem Umlenkbereich des Gasbrenners findet durch die Verwirbelung des Brenngas-Luft-Gemisches eine zusätzliche Durchmischung statt, so daß die Strömungskanäle in der Injektoranordnung entsprechend kürzer gewählt werden können . Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung nach dem Hauptanspruch möglich.
Durch die im wesentlichen horizontale Anordnung der Injektoren kann die Bauhöhe eines mit diesem Brenner versehenen Heizgerätes insgesamt niedrig gehalten werden.
Wegen des strömungstechnisch einfachen Aufbau der Injektoren ist eine druckgußtechnische Herstellung ohne Nachbearbeitung möglich. Durch die in der Injektoranordnung eingebrachten geradlinig verlaufenden Strömungskanäle mit konstantem Querschnitt werden die Strömungswiderstände minimiert .
Durch die kurzen mit einem großen Durchmesser versehenen Strömungskanäle besteht eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Toleranzen zwischen der Positionierung Düse- Strömungskanal, was wiederum die Montagekosten senkt.
Eine vorteilhafte Alternative zu zylinderförmig ausgebildeten Strömungskanälen besteht in der Ausbildung von langlochförmigen Strömungskanälen, denen im Einlaßbereich mehrere Düsen zugeordnet sind. Im Extremfall besteht die Injektoranordnung nur aus einem langlochförmig ausgebildeten Strömungskanal, dem im Einlaßbereich sämtliche Düsen für die Gaszufuhr zugeordnet sind. Damit werden Strömungswiderstände, Empfindlichkeiten gegenüber Positionierungstoleranzen und die Fertigungskosten weiter reduziert .
Für eine kostengünstige Herstellung des Brenners ist es besonders vorteilhaft, wenn Injektoranordnung, Umlenkbereich und Gemischverteiler einteilig hergestellt werden können. Aufgrund der die Oberfläche vergrößernden, mit einem Kühlrohrsystem verbundenen Rippen sind die Temperaturen an der Brennerplatte auf Werte begrenzt, die den Einsatz einer elastischen Dichtung zwischen Gemischverteiler und Brennerplatte ermöglichen.
Eine gute Wärmeableitung wird erreicht, wenn das Kühlmittel führende Rohr aus Kupfer besteht, während die Rippen der Brennerplatte aufgrund der höheren Wärmebelastung vorzugsweise aus Edelstahl gebildet sind.
Bei der aus Rippen aufgebauten Brennerplatte hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die brennraumseitigen Ränder von bestimmten Rippen gegenüber den brennraumseitigen Rändern der anderen Rippen zurückversetzt sind. Dadurch wird eine besonders ausgeprägte Strukturierung der brennraumseitigen Wand der Brennerplatte erreicht, bei welcher die Flammenwurzeln über größere Seitenbereiche an benachbarten Blechrippen anliegen und daher besonders gut gekühlt werden.
Die ausgeprägte Strukturierung der Brennerplatte kann dadurch erreicht werden, daß jeweils zwischen zwei nicht zurückversetzten Blechrippen eine oder mehrere zurückversetzte beziehungsweise gekürzte Rippe vorgesehen ist.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der folgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Längsschnitt des erfindungsgemäßen Gasbrenners, Figur 2 einen Schnitt des Gasbrenners nach der Linie A-A in Figur 1, Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt der Brennerplatte, Fig. 4 eine Draufsicht auf die Brennerplatte und die Figuren 5 und 6 zwei weitere Ausführungsformen von Injektoren.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Figur 1 zeigt einen Gasbrenner 10, mit einer eine Düse 12 aufweisenden Gaszufuhreinrichtung 14, die gegenüber einer horizontal ausgerichteten Injektoranordnung 16 des Gasbrenners 10 in Strömungsrichtung so beabstandet ist, daß den Düsen 12 jeweils mit Abstand ein zylinderförmiger
Strömungskanal 18 gegenüberliegt, wobei die Düsen 12 auf Höhe der Mittelachsen der Strömungskanäle 18 angeordnet sind. Die Mittelachsen der Strömungskanäle 18 verlaufen im wesentlichen geradlinig, wobei der Strömungsquerschnitt bis auf eine als Einlauf gestaltete Erweiterung 20 im
Einlaßbereich im wesentlichen konstant ist. Das Verhältnis Länge zu Durchmesser der im Injektor 16 angeordneten Strömungskanäle 18 beträgt < 4:1, abweichend von bekannten Injektoranordnungen für Gasbrenner, bei denen der Faktor 10 bis 12 beträgt. Ein sich in Strömungsrichtung des Brenngas- Luft-Gemisches an die Injektoranordnung 16 anschließender 90° -Umlenkbereich 22 geht in einen nach einer Seite trichterförmig erweiterten Gemischverteiler 24 über, an dessen Auslaß eine gegenüber dem Gemischverteiler 24 abgedichtete Brennerplatte 26 angeordnet ist.
Die mit Befestigungsmitteln 28 gegenüber dem Gemischverteiler 24 fixierte Brennerplatte 26 ist mit unterschiedlich langen Lamellen bzw. Rippen 30, 31 (Fig. 3) aufgebaut, welche durch eine Kühlröhrschlänge 32 miteinander verbunden sind und zwischen sich Kanäle bzw. Spalte 34 für den Durchtritt des Brenngas-Luft-Gemisches begrenzen, das auf der dem Brennraum zugewandten Seite der Brennerplatte 26 entzündbar ist. Die aus Edelstahl bestehenden Rippen 30, 31 stehen in gut wärmeleitendem Kontakt mit der aus Kupfer bestehenden Kühlröhrschlänge 32 und sind durch diese zu einer starren Baueinheit verbunden. Die Breite a der Spalte 34 ist kleiner als der sogenannte Löschabstand bemessen, so daß Flammen nicht in die Brennerplatte 26 bzw. in die davor liegende Gemischverteilerzone zurückschlagen können.
Wie Fig. 3 zeigt, ist die Brennerplatte 26 so gestaltet, daß zwei kürzere Rippen 31 jeweils zwischen zwei längeren Rippen 30 stehen. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß die brennraumseitigen Ränder 36 der kürzeren Rippen 31 gegenüber den Rändern 38 der längeren Rippen 30 zurückgesetzt sind. Dadurch ergibt sich an der brennraumseitigen Wand der Brennerplatte 26 eine stark gestufte Oberflachenstrukturierung mit breiten Zwischenräumen 40, die seitlich durch Wandbereiche 42 der längeren Rippen 30 begrenzt sind. Die Brennerplatte 26 wird seitlich durch in den Brennraum ragende Endlamellen 44, 46 abgeschlossen, die ein Überschlagen der bei der Verbrennung entstehenden Flamme verhindern. Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf die Brennerplatte 26 und läßt den Verlauf der Kühlröhrschlänge erkennen.
Der Gasbrenner 10 arbeitet auf folgende Art und Weise:
Über die Gasdüsen 12 wird Brenngas in die Strömungskanäle 18 der Injektoranordnung 16 eingedüst, wobei durch den Brenngasstrom Umgebungsluft mitgerissen wird. Das gesamte Brennersystem (Düsendruck, Injektoren, Umlenkbereich, Brennerplatte etc.) ist so ausgelegt, daß die für eine Verbrennung mit Luftüberschuß (λ > 1) notwendige Verbrennungsluft bereits vollständig mit der Primärluftansaugung zur Verfügung gestellt wird (sogenanntes Vormischbrennerprinzip) . Die als Einlauf gestaltete Erweiterung 20 am Einlaß der Strömungskanäle 18 ermöglicht einen reibungsarmen Eintritt der Verbrennungsluft in den Strömungskanal 18. Das sich in den Strömungskanälen 18 bildende Brenngas-Luft-Gemisch trifft auf den Umlenkbereich 22, wo es durch Verwirbelung zu einer weiteren Durchmischung des Brenngases mit der Verbrennungsluft kommt. Durch den sich an den Umlenkbereich 22 anschließenden trichterförmig erweiternden Gemischverteiler 24 findet neben der Verteilung des Gemisches eine Homogenisierung statt; darüberhinaus wird durch die Geschwindigkeitsreduzierung ein hoher Anteil des dynamischen Drucks in für die Verbrennung notwendigen statischen Druck umgewandelt.
Nachdem das Brenngas-Luft-Gemisch die Brennerplatte 26 erreicht hat, reagiert das Gemisch zwischen bzw. an den stromab liegenden Rändern 36, 38 der Rippen 30, 31 unter Flammenbildung, wobei Reaktionswärme aus den Flammenwurzeln über die Rippen 30, 31 an das aufzuheizende Wasser in der Rohrschlange 32 gelangt. Die Flammenwurzeln werden hierbei besonders gut gekühlt, weil sie auch Seitenberührung mit den Wandbereichen 42 der Rippen 30 haben. Die Wärmeleitfähigkeit der Rippen 30, 31 ist durch Bemessung und/oder
Werkstoffauswahl so auf die Brennerleistung abgestimmt, daß sich ihre Oberflächentemperatur auf zum Beispiel 400° C einstellt .
Die Figuren 5 und 6 zeigen zwei weitere Injektoranordnungen, bei denen die zylinderförmigen Strömungskanäle 18 durch langlochförmige Strömungskanäle ersetzt sind, wobei die Injektoranordnung nach Fig. 6 nur einen langlochförmigen Strömungskanal 58 aufweist. Im letztgenannten Fall sind dann alle Düsen 12 dem Strömungskanal 58 zugeordnet.
Eine besonders kostengünstige Herstellung des Brenners wird erreicht, wenn Injektoranordnung (16) , Umlenkbereich (22) und Gemischverteiler (24) aus einem Druckgußteil gefertigt werden.

Claims

Ansprüche
1. Atmosphärischer Gasbrenner für Heizgeräte, insbesondere Wassererhitzer, mit a) einer mehrere Düsen (12) aufweisenden Gaszufuhreinrichtung (14) , b) einer Injektoranordnung (16) mit mindestens einem Strömungskanal (18) für das Brenngas-Luft-Gemisch, c) einem sich in Strömungsrichtung an die Injektoranordnung (16) anschließenden Umlenkbereich (22) , der in einen sich erweiternden Gemischverteiler (24) übergeht, und mit d) einer am Auslaß des Gemischverteilers (24) angeordneten Brennerplatte (26), die mit Rippen (30, 31) aufgebaut ist, welche durch ein Kühlrohrsystem (32) miteinander verbunden sind und zwischen sich Kanäle bzw. Spalte (34) für den
Durchtritt des Brenngas-Luft-Gemisches begrenzen, das auf einer dem Brennraum zugewandten Seite der Brennerplatte (26) entzündbar ist.
2. Gasbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektoranordnung (16) im wesentlichen horizontal ausgerichtet ist.
3. Gasbrenner nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß der in der Injektoranordnung (16) ausgebildete Strömungskanal (18) einen im wesentlichen konstanten Strömungsquerschnitt aufweist, wobei die Mittelachse des Strömungskanals (18) im wesentlichen geradlinig verläuft.
4. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Länge zu Höhe des Strömungskanals (18) < 4:1 beträgt.
5. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektoranordnung (16) mehrere zylinderförmig ausgebildete Strömungskanäle (18) aufweist, denen im Einlaßbereich jeweils eine Düse (12) für die Gaszufuhr zugeordnet ist, wobei das Verhältnis Durchmesser - Strömungskanal (18) zu Außendurchmesser - Düse (12) mindestens 2:1 beträgt.
6. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektoranordnung (16) mehrere langlochförmig ausgebildete Strömungskanäle (18) aufweist, wobei einem Strömungskanal (18) im Einlaßbereich mehrere Düsen (12) zugeordnet sind.
7. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Injektoranordnung (16) nur einen langlochförmig ausgebildeten Strömungskanal (18) aufweist, dem im Einlaßbereich sämtliche Düsen (12) für die Gaszufuhr zugeordnet sind.
8. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Injektoranordnung (16) , Umlenkbereich (22) und Gemischverteiler (24) zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind.
9. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerplatte (26) gegenüber dem Gemischverteiler (24) durch eine elastische Dichtung abgedichtet ist.
10. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (30, 31) der Brennerplatte (26) aus Edelstahl bestehen, während das Kühlmittel führende Rohr (32) aus Kupfer besteht.
11. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die brennraumseitigen Ränder (36) von bestimmten Blechrippen (31) gegenüber den brennraumseitigen Rändern (38) der anderen Blechrippen (30) zurückversetzt sind.
12. Gasbrenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen zwei nicht zurückversetzten Blechrippen (30) zwei kürzere Blechrippen (31) nebeneinanderliegend angeordnet sind.
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