COMBUSTION AIR QUANTITY CONTROLLING APPARATUS FOR GAS CONSUMPTION INSTALLATIONS WITH INJECTOR-TYPE BURNERS

Abstract: 1. A device for controlling combustion air flow in gas-fuelled appliances equipped with injector burners characterized in that flow restricting means producing stable laminar flow conditions are incorporated in the passages carrying the combustions air or the gas/air mixture.

Description: Vorrichtung zum Steuern der Verbrennungsluftmenge bei Gasverbrauchseinrichtungen mit Inj ektorbrennern Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern der Ver brennungsluftmenge in Gasverbrauchseinrichtungen mit Injektorbrennern. Der Verbrennungsluftdurchsatz bei Gasverbrauchseinrichtungen mit Injektorbrennern ergibt sich-aus dem Zusammenwirken des Gas impulses mit durch die Verbrennung erzeugten thermischen Auftriebskräften und den Strömungswiderständen auf den Wegen für die Luft, das Brenngas-Verbrennungsluft Gemisch vor und im Brenner sowie das Abgas bis zur Strömungssicherung. Gasverbrauchseinrichtungen mit Injektorbrennern konnten bisher nur bei einer meist maximalen Wärmebelastung optimal betrieben werden, weil bei Belastungsänderung die Luftzahl nur dann konstant bleibt, wenn kein Auftriebseinfluss vorhanden ist und nur turbulente und keine laminaren Strömungswiderstände den Luftdurchsatz beeinflussen. Je nachdem, ob der Einfluss des Auftriebes oder der laminaren Strömungswiderstände überwiegt, vergrössert oder verkleinert sich die Luftzahl bei Wärmebelastungsänderungen. (Die Luftzahl ist definiert als Verhältnis von tatsächlicher Verbrennungsluftmenge zur theoretisch erforderlichen.) Die Folge ist, dass bei Teillast die Verbrennung wegen sinkender Luftzahl unhygienisch sein kann oder der Teillast-Wirkungsgrad wegen ansteigender Luftzahl zum Teil erheblich geringer ist als der Vollast-Wirkungsgrad. Die bei ungeregeltem Luftzutritt auftretenden Schwierigkeiten bei unterschiedlicher Belastung von Gasbrennern, d. h. beim Wechseln zwischen Gross- und Kleinstellung sind schon seit längerem bekannt. In der Deutschen Patentschrift 576 326 ist - als Massnahme zur Beseitigung dieser Mängel - ein Absperrorgan für Gasbrenner mit miteinander gekoppelten Regelungsmitteln für Gas- und Erstluft beschrieben. Auf einem Hahnküken befindet sich eine bewegliche Gasdüse, die gegen über einem Regulierstift verschiebbar ist. Den Regulierstift umgibt eine Hülse, durch deren Einstellung in Verbindung mit einer Einschnürung eine Vordruckregelung möglich ist. Bei Änderung der Wärmebelastung wird nur die Gasdüse in Axialrichtung verschoben. Zur Einstellung bzw. zum Konstanthalten der Luftzahl muss bei diesem bekannten Absperrhahn ein Luftschieber, d. h. eine Vorrichtung zur Einstellung des Luftzu trittsquerschnittes betätigt werden. Diese Bewegung des Luftschiebers ist hier gegenläufig mit der Bewegung der Gasdüse gekoppelt. Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der auf einfachste Weise die Verbrennungsluftmenge in Gasverbrauchseinrichtungen mit Injektorbrennern so gesteuert werden kann, dass die Luftzahl bzw. das Brenngas-Verbrennungsluft-Verhältnis von den verschiedenen Betriebsbedingungen (Teillast, Vollast, Anfahrzustand und bei Einsatz verschiedener Brenngase) möglichst unabhängig ist, insbesondere dadurch, dass die Luftzahl bei gleichbleibender Gasqualität unabhängig von der Wärmebelastung der Gasverbrauchseinrichtung konstant gehalten wird. Die Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 bis 6 genannten Massnahmen. Um bei einem bestimmten Brenngas ein konstantes Verhältnis von Verbrennungsluft und Brenngas, unabhängig von der Wärmebelastung zu erreichen, müssen die Einflüsse, die den Luftdurchsatz fördern, auf die Einflüsse, die den Luftdurchsatz hemmen, abgestimmt sein. Einflüsse, die den Luftdurchsatz fördern, sind: Kräfte aus dem Gasimpuls, aus positivem Auftrieb und aus (turbulenten) Verzögerungswiderständen. Einflüsse, die den Luftdurchsatz hemmen, sind: Kräfte aus negativem Auftrieb, aus turbulenten Strömungswiderständen (Beschleunigungs-, Umlenkungs-, Formänderungsund Reibungswiderständen) und aus laminaren Strömungswider-ständen. Die Summe aller auf die Strömung einwirkenden Kräfte ist null. Die Abstimmung der Einflüsse aufeinander wird erfindungsgemäss erreicht durch ein gezielt eingestelltes Verhältnis zwischen Gasimpuls bzw. der resultierenden Kraft FG und Gasmengenstrom und/oder durch Veränderung der Strömungscharakteristik der Verbrennungsluft bzw. des Gas Verbrennungsluft-Gemisches in-der Gasverbrauchseinrichtung, so dass der Laminarwiderstandsanteil durch Einbau von zusätz Ilchen Strömungswiderständen oder Austausch von Strömungswiderständen mit turbulenter Strömungscharakteristik gegen solche mit laminarer erhöht wird. Die Erfindung sieht mehrere konstruktive Massnahmen zur Lösung der gestellten Aufgabe vor: - Einbau einer Doppeldüse in den Gasweg (gezielte Be einflussung des Gas impulses.- bzw. der resultierenden Kraft FG) - Einbau von konstanten laminaren Strömungswiderständen, z. B. Packungen von engen Röhrchen in den Luftweg (Erhöhung des Laminarwiderstandsanteils im Luftweg) - Verwendung von Strömungswiderständen im Gemisdhweg, z. B. von Laminarinjektoren anstelle von Turbulenzin jektoren (Erhöhung des Laminarwiderstandsanteils im Gemischweg) Die Massnahmen können einzeln angewandt oder beliebig miteinander kombiniert werden. Der Gasimpulsfluss IG des aus der Gasdüse mit der Geschwindigkeit VG austretenden Gasmengenstromes qG ist bekanntlich definiert als G qg . VG (1) Der Gasimpulsfluss bewirkt bei idealer Impulsübertragung die Luftansaugung über einen Injektor mit der Kraft FG: FG # p.A (2) aus EMI4.1 und qG = A . VG. #G folgt: (3)(4) EMI4.2 In diesen Formeln bedeuten p = Druckabfall an der Gasdüse #G = Gasdichte A = Gasdüsenquerschnitt Da man die Gasdichte #G bei einem Gas als konstant annehmen G kann, gilt angenähert: EMI4.3 wobei keine Konstante ist. Bei bekannte Düsen ist auch der Düsenquerschnitt A konstant und es gilt: FG ¯ qG2 (7) d. h., die Kraft ändert sich mit dem Quadrat des Gasmengenstromes, d. h. der'Wärmebelastung. Ist der Düsenquerschnitt eine Ftnktion des Gasmengenstromes, z. B. A ¯ q(2-x) so gilt: EMI4.4 bei Änderung des Gasmengenstromes und damit der Wärmebelastung soll erfindungsgemäss der Wert von x durch gleichzeitige Düsenquerschnittsänderung beliebig gewählt werden können, derart, dass der Gasimpuls bzw. die resultierende Kraft FG den Luftdurchsatz entsprechend der Belastungs änderung so beeinflusst, dass die Luftzahl trotz der im Gasgerät vorhandenen unterschiedlichen Strömungswiderstände und auf triebskräfte konstant bleibt. Mit der erfindungsgemässen Doppeldüse wird diese Aufgabe konstruktiv gelöst. Die neue Doppeldüse zur Steuerung der Verbrennungsluftmenge besteht aus einem Gehäuse mit einer Eintrittsöffnung, einer Austrittsöffnung, einer im Gehäuseinneren befindlichen Durchströmöffnung und einer Strömungsabrisskante zwischen Durchström öffnung und Austrittsöffnung sowie zwei fest miteinander verbundenen in Achsrichtung beweglichen Dornen, von denen je einer konzentrisch in der Austritts- und der Durchströmöffnung derart angeordnet ist, dass sich bei gemeinsamer Ver rhiebung der Dorne in Achsrichtung die freien Durchtrittsquerschnitte der Öffnungen in Abhängigkeit von der Wärmebelastung vergrössern oder verkleinern. Je nach den vorgegebenen Querschnitten der Dorne und der Öffnungen kann entweder der Dorn in der Austrittsöffnung oder der Dorn in der Durchströmöffnung auch als Absperrorgan dienen. Die Form der Dorne ist abhängig von der gewünschten Anderungsfunktion -der Kraft FG mit der Wärmebelastung. Die Dorne können z. B. kegelförmig oder kugelförmig sein oder beliebig gekrümmte Mantellinien aufweisen. Hierdurch unterscheidet sich die neue Vorrichtung in vorteilhafter Weise von den bekannten Absperrhahn. Der GasanschluB verteilt sich entsprechend den freien Querschnitten auf die beiden Dorne. Das Gehäuse ist, im Gegensatz zum Hahnküken des bekannten Absperrhahnes so geformt, dass es praktisch keinen Druckverlust, aber auch keinen Rückgewinn von Druck aus der Bewegungsenergie nach dem im Strömungsweg des Gases ersten Dorn bringt. Durch die gleichzeitige Verschiebung der Dorne wird der freie Durchtrittsquerschnitt der Austritts- und der Durchströmöffnung und damit die Wärmebelastung und der Gas impuls bzw. die resultierende Kraft FG verändert. Das Verschieben der Dorne kann z. B. von Hand oder durch ein Signal eines Wärmebelastungsreglers erfolgen. Die gewünschte Funktion zwischen der Kraft FG bzw. der Grösse der-l;uftansaugung und-der Wärmebelastung wird durch Kombination von verschiedenen Dorn-Formen- erreicht. Nachstehend ist jeweils zuerst die gewünschte Änderung der Kraft FG mit der Wärmebelastung, dann die Art der notwendigen Änderung der freien Durchtrittsquerschnitte und danach die konstruktive Ausführungsform der Dorne genannt, mit der die Änderung erreicht werden kann. 2 1. FG ¯ q t9) Bei Verringerung der Wärmebelastung muss der freie Durch trittsquerschnitt der Durchströmöffnung verkleinert und der freie Durchtrittsquerschnitt der Austrittsöffnung vergrössert werden. Der erste Dorn (in Strömungsrichtung des Gases) zur Veränderung des freien Durchtrittsquerschnittes der Durchströmöffnung muss konisch verjüngt und der zweite Dorn zur Änderung des freien Durchtrittsquerschnittes der Austrittsöffnung muss konisch erweitert sein. 2. FG±V (10) 2 F 2 t Bei Verringerung der Wärmebelastung muss der freie Durch trittsquerschnitt der Durchströmöffnung in einem anderen Verhältnis verkleinert werden als der der Austritts öffnung. Beide Dorne verjüngen sich in Strömungsrichtung des Gases. Haben die Austritts- und die Durchströmöffnung gleichen Durchmesser, muss der Steigungswinkel des Dorns für die Austrittsöffnung sich von dem des Dorns für die Durchströmöffnung unterscheiden. In manchen Fällen kann es schon genügen, nur den Dorn für die Austrittsöffnung sich verjüngend und den Dorn der Durchströmöffnung zylindrisch auszuführen. 3. FG A) qG (11) Bei Verringerung der Wärmebelastung muss der freie Durch trittsquerschnitt der Durchströmöffnung grösser und der freie Durchtrittsquerschnitt der Austrittsöffnung kleiner werden. Der erste Dorn in Strömungsrichtung des Gases wird konisch erweitert und der zweite konisch verjüngt ausgeführt. Die Doppeldüse kann allein oder in Verbindung mit zusätzlichen laminaren Strömungswiderständen bei Gasverbrauchseinrichtungen mit mässig oder schwach positiven sowie neutralen Auftriebseinflüssen verwendet werden, z. B. in Gaswasserheizern, Gasraumheizern, Gasspezialheizkesseln, bei Kochstellen und Backofenbrennern und bei Gasverbrauchseinrichtungen mit negativen, also der Flammenrichtung entgegengesetztem Auftriebseinfluss, z. B. bei abwärts gerichteten Infrarotstrahlern oder Grillbrennern. Zur Kompensation von schwach positiven Auftriebseinflüssen, z. B. in Gaswasserheizern mit überstöchiometrischer Luftvormischung und demgemäss sehr kurzen Flammen, bei denen aufgrund einer niedrigen Brennkammer die thermischen Auftriebskräfte gering sind, werden erfindungsgemäss laminare Strömungswiderstände allein benutzt. Diese können in den Luftweg, in dem konstante Temperatur herrscht, eingebaut sein und z. B. aus Packungen enger Röhrchen bestehen, die nur einen geringen Beschleunigungswiderstand besitzen. Eine er findungsgemäss wirksame laminare Strömung im Gemischweg kann erzwungen werden durch Verwendung eines sogenannten Laminarinjektors, - anstelle eines Turbulenzinjektors -, dessen Durchmesser so gewählt werden, dass in ihm eine laminare Strömung herrscht und dass der im engsten Injektorquerschnitt entstehende Beschleunigungswiderstand weitgehend im Diffusor zurückgewonneg wird. Der Diffusor muss sich daher erfindungsgemäss auf mindestens das zweifache, vorzugsweise das vierfache, des engsten Querschnittes erweitern. Der Öffnungswinkel beträgt hierbei weniger als 8 o, vorzugsweise weniger als 4 . Die Erfindung kann angewandt werden unabhängig davon, ob die Injektoren dem Brenner mit Hilfe des Gasimpulses einen Teil der für die Verbrennung benötigten Luft (Primärluftvormischung) die gesamte benötigte Luft (stöchiometrische Luftvormischung) oder sogar einen Luftüberschuss (überstöchiometrische Luftvormischung) direkt zuführen. Die Erfindung wird anhand der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Beispiele weiter erläutert. Fig. 1 zeigt schematisch einen Aussenwandraumheizer mit Laminarinjektpr und Doppeldüse. Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer Doppeldüse für den in Fig. 1 dargestellten Aussenwandraumheizer. Fig. 3 zeigt schematisch einen Infrarotstrahler mit Doppeldüse. Fig. 4 zeigt die Ausführungsform einer Doppeldüse für den in Fig. 3 dargestellten Infrarotstrahler. Bei dem in Fig. a dargestellten Aussenwandraumheizer mit überstöchiometrischer Luftvormischung herrscht ein mässig positiver Auftrieb, der allein mit der erfindungsgemässen Doppeldüse nicht kompensiert werden kann. Deshalb werden zusätzlich Laminarinjektoren verwendet. Die gesamte Verbrennungsluft wird durch den Impuls bzw. die resultierende Kraft FG des an Doppeldüse 1 austretenden Gases aus dem luftführenden Teil des Aussenwandanschlusses 6 entnommen und über den Laminarinjektor 2 dem Brennerrohr 3 zugeführt, das eine nicht dargestellte Brenneraustrittsfläche besitzt. Die Anzahl der erforderlichen Doppeldüsen und Injektoren hängt von der Leistung des Raumheizers ab. In Fig. 1 ist der Deutlichkeit halber nur eine Doppeldüse und ein Injektor dargestellt. Das Abgas strömt nach Abgabe von Wärme an das Wärmetauschergehäuse 5 huber das Abgasrohr 4 des Aussenwandanschlusses 6 ab. Die im Aussenwandraumheizer verwendete Doppeldüse 1, die in Fig 2 dargestellt ist, besteht aus einem Gehäuse 7 mit einem Gaseintritt 8 und einer Austrittsöffnung 12, deren freier Durchtrittsquerschnitt 14 mit Hilfe des verschiebbaren kegelförmigen Dornes 9 veränderbar ist. Im Gehäuse 7 befindet sich ein weiterer verschiebbarer Dorn 10, der den freien Durchtrittsquerschnitt 35 der Durchströmöffnung 13 und damit den Düsendruck an der Austrittsöffnung 12 vergrössern oder verkleinern kann. Während sich der Dorn 9 in Strömungsrichtung des Gases konisch erweitert, ist Dorn 10 konisch verjüngt. Der Dorn 9 ist zur Verbesserung der Strömung vorne abgerundet. Die beiden Dorne sind mittels Verstellspindel 11 fest miteinander verbunden. Diese ist im Bereich der Durchführung aus dem Gehäuse 7 mit einem Aussengewinde versehen, so dass sich bei Ausführung einer Drehbewegung die beiden Dorne 9 und 10 in Achsrichtung verschieben, wobei sich die freien Durchtrittsquerschnitte 14 und 15 vergrössern bzw. verkleinern. Die Abrisskante 19 bewirkt, dass die Strömung hinter der Durchströmöffnung 13 abreisst. Bei Verringerung der Wärmebelastung, bei der gleichzeitig die Dorne 9 und 10 in Strömungsrichtung des Gases verschoben werden, verringert sich der Gasimpuls bzw. die Kraft FG nach der Funktion. FG ¯ > qG2 Dadurch wird der Luftdurchsatz bei sinkender Wärmebelastung im Vergleich zum Luftbedarf verringert und damit wird der Auftriebseinfluss teilweise kompensiert. Mit Hilfe der Laminarinjektoren -werden die noch verbleibenden, den Luftdurchsatz steigernden, Einflüsse kompensiert und das Verhältnis von Brenngas und Verbrennungsluft bzw. die Luftzahl bleibt im ganzen Wärmebelastungsbereich des Gerätes nahezu konstant. Den Auftriebseinfluss bei bisher benutzten Geräten veranschaulichen die folgenden Zahlen: Bei Verwendung herkömmlicher Düsen und Turbulenz-Injektoren stieg dagegen bei Versuchen die Luftzahl bei Absenkung der Wärmebelastung auf 30 % der Nennwärmebelastung von 1,1 auf etwa 1,65 an. Figur 3 zeigt einen Gasinfrarotstrahler mit einer Doppeldüse 1, die in Fig. 4 vergrössert dargestellt ist. Der Impuls des aus der verstellbaren Doppeldüse 1 austretenden Gases führt die gesamte Verbrennungsluft aus der Umgebung durch den Turbulenz-Injektor 16 von oben zum keramischen Lochplattenbrenner 17. Das Gas verbrennt an der oberen Oberfläche der Brennerplatte im Verbrennungsraum 18 und die Abgase geben den grössten Teil ihres Wärmeinhaltes an die untere Oberfläche des Lochplattenbrenners ab, von wo aus die Wärme nach unten abgestrahlt wird. Danach strömt das Abgas in die Umgebung ab. Die in Fig. 4 dargestellte einstellbare Doppeldüse 1 besteht aus den gleichen Elementen, wie die in Fig. 2 dargestellte Doppeldüse. Unterschiedlich zu dieser ist nur die Form der Dorne. Dorn 9 und Dorn 10 sind beide in Strömungsrichtung des Gases konisch verjüngt, wobei die Steigungswinkel unterschiedlich sind. Bei Absenkung der Wärmebelastung wird durch gleichzeitiges Verschieben der Dorne in Strömungsrichtung des Gases der Impuls entsprechend der Beziehung F nJ 1,2 verändert. Das wird dadurch erreicht, dass sich der freie Durchtrittsquerschnitt 14 der Austrittsöffnung 12 bei Verringerung der Wärmebelastung (Verschieben der Dorne in Strömungsrichtung) langsamer verkleinert als der freie Durchtrittsquerschnitt 15 der Durchströmöffnung 13. Der Strahler arbeitet mit Hilfe der Doppeldüse in einem Belastungsbereich von 100 % bis 25 % der Nennwärmebelastung mit konstanter Luftzahl von 1,08 hygienisch einwandfrei. Bei Verwendung herkömmlicher Düsen muss dagegen wegen des negativen Auftriebseinflusses bei Vollast die Luftzahl ca. 1,5 betragen - was einen geringeren Wirkungsgrad bedeutet - um wenigstens 50 % der Nennbelastung als kleinste Wärmebelastung erreichen zu können, bei der die Verbrennung noch gerade hygienisch einwandfrei ist. Bei einem nicht dargestellten Gaswasserheizer, mit niedriger Brennraumhöhe, der mit überstöchiometrischer Luftvormischung betrieben wird, wurden anstelle der Injektoren mit turbulenter Strömung erfindungsgemässe Laminarinjektoren eingebaut. Während ursprünglich bei Absenkung der Wärmebelastung von 100 % auf ca. 40 % die Luftzahl von 1,15 auf 1,45 anstieg, blieb sie nach Umrüstung des Gerätes mit Laminarinjektoren konstant; Die Vorschaltung eines laminaren Strömungswiderstandes, z. B. einer Packung enger Röhrchen in den Luftweg vor den Turbulenz-Injektoren hat etwa die gleiche Wirkung. Es ist auch möglich, durch entsprechend ausgebildete Öffnungen in der Brennerplatte der Strömung des Gas Verbrennungsluft-Gemisches einen weitgehend laminaren Charakter mit geringem Beschleunigungswiderstand zu geben, und so den Auftrieb zu kompensieren. Durch geeignete Wahl der erfindungsgemässen Massnahmen bzw. durch deren Kombination kann bei allen Gasverbrauchseinrichtungen mit Injektorbrennern das Brennverhalten bei Änderung der Wärmebelastung verbessert werden, weil das Verhältnis von Brenngas und Verbrennungsluft bzw. die Luftzahl über den gesamten Regelbereich des Brenners konstant bleibt.

Claims: Ansprüche 1. Vorrichtung zum Steuern der Verbrennungsluftmenge in Gasverbrauchseinrichtungen mit Injektorbrennern, dadurch gekennzeichnet, dass in den Luftweg bzw. Gemischweg konstante, eine laminare Strömung erzeugende Strömungswiderstände ein gebaut sind und/oder im Gasweg vor dem Injektor eine Doppeldüse angeordnet ist, die aus einem Gehäuse (7) mit einer Eintrittsöffnung (8), einer Austrittsöffnung (12) und einer im Gehäuseinneren befindlichen Durchström öffnung (13) sowie zwei fest miteinander verbundenen, in Achsrichtung beweglichen Dornen (9, 10) besteht, und dass die Dorne eine gemeinsame Verstellvorrichtung (11) besitzen und derart koaxial zur Austrittsöffnung (12) und zur Durchströmöffnung (13) angeordnet sind, dass bei ihrer gemeinsamen Verschiebung in Abhängigkeit von der Wärmebelastung die beiden freien Durchtrittsquerschnitte (14, 15) der Öffnungen (12, 13) verändert werden und dass sich eine Strömungsabrisskante (19) zwischen Durch strömöffnung (13) und Austrittsöffnung (12) befindet. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich einer der gemeinsam bewegten Dorne (9, 10) in Strömungsrichtung des Gases erweitert und der andere sich in Strömungsrichtung verjüngt. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich beiden gemeinsam bewegten Dorne (9, 10) in Strömungsrichtung des Gases verjüngen. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsam bewegten Dorne (9, 10) kegelförmig ausgebildet sind. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der eine laminare Strömung verursachende Strömungs widerstand im Luftweg von einer Packung enger Röhrchen gebildet wird. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der eine laminare Strömung verursachende Strömungs widerstand im Gemischweg von einem oder mehreren neben einander liegenden Injektoren (2) gebildet wird, deren Diffusoren sich mit einem Öffnungswinkel von kleiner als 8 , vorzugsweise kleiner als 4 , auf mindestens das zweifache, vorzugsweise mindestens das 4fache, des engsten Querschnittes erweitern.

Inventors: CREMER, KURT, PANEK, HERBERT, SOMMERS, HANS, DIPL.-ING.
Applicants: RUHRGAS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1981
Main classification: F23D13
IPC codes: F23D14