DE19730254C2 - Brennstoffbeheiztes Heizgerät - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein brennstoffbeheiztes Heizgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Solche brennstoffbeheizten Heizgeräte sind in einer Vielzahl von Varianten, insbesondere als Umlaufwasserheizer, bekanntgeworden. Sie dienen dazu, das Wasser einer Heizungs­ anlage für eine Raumheizung zu erwärmen und teilweise zusätzlich dazu oder alternativ hierzu, warmes Gebrauchswasser zu erzeugen. Die brennstoffbeheizten Heizgeräte weisen einen entweder unten- oder als Sturzbrenner ausgebildeten, dann obenliegenden Brenner auf, der in einer Brennkammer ein Gas-Luft-Gemisch verbrennt, das anschließend durch einen Wärmetauscher geleitet wird und durch eine Abgasleitung in die Atmosphäre gelangt. Die Gebläsebrenner sind entweder so gestaltet, daß das Gebläse zuluftseitig angeordnet ist und entweder nur Luft fördert, der dann das zu verbrennende Gas beigemischt wird, oder das Gebläse ist in der Abgasleitung angeordnet und saugt das Gas-Luft-Gemisch durch den Brenner und den Wärmetauscher hindurch.

Im Zuge der Weiterentwicklung solcher Geräte versuchte man, die Leistungsdichten der Brenner zu erhöhen, das heißt, die Leistungsausbeute in kW pro Flächen- oder Volumen­ einheit des Brenners permanent zu erhöhen.

Es hat sich hierbei gezeigt, daß dann Geräusche, wie z. B. Knattern, Brummen oder Pfeifen, auftreten können und den Aufsteller und Betreiber eines solchen Heizgerätes erheblich stö­ ren, wenn ein solches Gerät, was öfter vorkommt, in einem Wohnraum plaziert wird.

Aus M. Heckl und H. A. Müller "Taschenbuch der technischen Akustik", Berlin 1975, Seite 383, ist ein Helmholtz-Resonator bekannt, bei dem die Schwingmasse durch die Luft in einer Querschnittsverengung (Bohrung oder Schlitz in einer Abdeckplatte) und die Feder durch ein dahinter liegendes Luftvolumen gebildet werden. Hiermit ist es möglich, in einem schwin­ genden System eine ganz bestimmte Frequenz zu dämpfen. Angewendet auf breitbandige Geräusche versagt diese Methode.

In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß es schallgedämpfte, atmosphärische Gasbren­ ner in Verbindung mit Helmholtz-Resonatoren gibt, vergleiche DE-22 63 471 C3. Hierbei tritt allerdings die Schwierigkeit auf, daß nur ein einziges Brennersystem mit einem Helmholtz- Resonator gedämpft werden kann. Es ist also unmöglich, mit einem einzigen Helmholtz-Re­ sonator eine Vielzahl von Gas-Luft-Injektoren zu dämpfen; man muß dann jedem einzelnen Injektor einen gesonderten Helmholtz-Resonator zuordnen und diesen auf die spezielle Fre­ quenz abstimmen.

Der vorliegenden Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, allgemein wirksame Maß­ nahmen zu treffen, die solche Geräusche bei Brennern erst gar nicht entstehen lassen, so daß der Betrieb der Heizgeräte auch in Wohnräumen möglich wird.

Die Lösung der Aufgabe gelingt bei einem brennstoffbeheizten Heizgerät durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich aus dem Patentanspruch 2.

In den nachfolgend abgehandelten Fig. 1 bis 6 der Zeichnung werden Ausführungsbei­ spiele und Einzelheiten der Erfindung näher behandelt.

Es bedeuten:

Fig. 1 eine erste Variante der Erfindung,

Fig. 2 eine Darstellung der Gemischeinlaufstrecke A-B,

Fig. 3 ein Diagramm,

Fig. 4 ein weiteres Diagramm und

Fig. 5 eine weitere Variante der Erfindung.

In allen 5 Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen Einzelheiten.

Ein brennstoffbeheiztes Heizgerät 1 weist ein Außengehäuse 2 auf, das technisch dicht ausgeführt ist mit Ausnahme einer Öffnung 3, in der eine Frischluftleitung 5 und eine Abgas­ leitung 4 durchtritt. Zwischen beiden Leitungen verbleibt ein Spalt 6, durch den Frischluft in den Innenraum 7 des Außengehäuses 2 gelangt. Aus dem Innenraum 7 des Außengehäu­ ses 2 wird Luft über eine Öffnung 8 entsprechend dem Streckenanfang A in einen Luftkanal 9 angesaugt. An einer Seite des Luftkanals ist eine Gasarmatur 10 angeordnet, der Gas über eine Gasleitung 11 zugeführt ist. In der Gasarmatur befindet sich unter anderem ein Gasventil, das von einer nicht dargestellten Steuerung geöffnet, geschlossen und/oder in beliebige Zwischenstellungen modulierend eingestellt werden kann. Die somit festgelegte Gasmenge pro Zeiteinheit gelangt durch eine Öffnung 12 in den Innenraum des Luftkanals 9, der somit stromab der Öffnung 12 als Gas-Luft-Gemisch-Kanal 13 aufzufassen ist.

Das der Öffnung 8 abgewandte Ende des Gemischkanals gelangt in einen Innenraum 14 einer Brenneroberhaube 15, in der die Gemischbildung zwischen Gas und Luft vervoll­ kommnet wird. Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß als Gas allgemein brenn­ bare Gase, insbesondere Flüssiggas, Erdgas wie auch Stadtgas als auch eine vergaste Flüssigkeit dienen kann (Ölbrenner).

Die Brenneroberhaube 15 ist auf der dem Luftrohr 9 abgewandten Seite durch eine Brenner­ platte 16 abgeschlossen, die eine Vielzahl von Gas-Luft-Gemisch-Durchtrittsöffnungen auf­ weist. Diese Brennerplatte kann als Metallplatte ausgebildet sein und mit einer Vielzahl von Bohrungen versehen sein; sie kann weiterhin als Keramikplatte gestaltet sein und auch in dieser Ausgestaltung Bohrungen oder Löcher aufweisen; sie kann als Vlies ausgebildet sein oder als Gewebe aus Draht- und/oder Keramikfasern. An der Unterseite dieser Bren­ nerplatte 16 verbrennt das Gas-Luft-Gemisch im Innenraum 17 einer Brennkammer 18, die eine Außenwandung 19 aufweist. Unterhalb der Brennkammer schließt sich ein Wärmetau­ scher 20 an, der von einer Außenwandung 21 umgeben ist. Generell ist zu sagen, daß die Außengestalt der Brenneroberhaube 15 und der Außenwandung 19 und 21 von Brenn­ kammer und Wärmetauscher zylindrisch, keglig oder polygon sein kann. In Frage kommen im wesentlichen eine zylindrische oder eine Vierkantausbildung mit abgerundeten Kanten.

Der Wärmetauscher 20 besteht aus einer Mehrzahl in einer oder mehreren Etagen aufge­ bauter, mit Lamellen 22 versehener Wasserrohre 23, die über außen angeordnete Sam­ melkammern 24 miteinander parallel und/oder in Serie verbunden sind. Dieser Wärmetau­ scher ist an eine Vor- und Rücklaufleitung 25 beziehungsweise 26 angeschlossen, wobei in einer der beiden Leitungen eine Heizwasserumwälzpumpe 27 angeordnet ist.

Unterhalb der Rohre 23 des Wärmetauschers 20 befindet sich ein Abgassammler 28, der mit einer Abgasleitung 29 verbunden ist. In dieser befindet sich ein von einem Motor 30 an­ getriebenes Abgasgebläse 31. Der Druckstutzen 32 des Abgasgebläses ist mit der Abgasleitung 4 verbunden. Das Wort Gebläse steht für jede Bauform, die Luft unter Druck zuführt oder Abgase unter Unterdruck absaugt.

Die Variante der Erfindung gemäß Fig. 5 besteht darin, daß das Gebläse 31 nunmehr im Zuluftweg angeordnet ist, so daß also das Gemisch aus vergastem Brennstoff und Luft unter Druck - und nicht unter Unterdruck gegenüber der Atmosphäre wie im Rahmen der Fig. 1 - dem Innenraum 14 der Brennerhaube 15 zugeführt wird. Ferner handelt es sich beim Ge­ genstand der Fig. 5 in Abwandlung von dem der Fig. 1 um ein Kondensationsheizgerät.

In der Fig. 2 ist der schematisierte Verlauf der Durchlaufstrecke des Brenngas-Luft-Gemi­ sches vom Einlaß A (8) bis zum Ort des Brenners B (16) dargestellt. Der Brenner mit einem Volumen V_B ist ganz allgemein ein Flächenbrenner - gleich welcher technischen Ausgestal­ tung - der eine Vielzahl kurzer Flammen erzeugt. Beginnend mit dem Beginn der Strecke A entsprechend dem Lufteinlaß 8 in Fig. 1 schließt sich ein erstes Volumen V₁ mit einem Querschnitt Q₁ an, das bis zum Ort des Gebläses 31 reicht. Dieses Volumen erstreckt sich längs einer Strecke L₁, wobei der Querschnitt Q₁ über die Länge L₁ im wesentlichen konstant bleibt. Das Gebläse 31 selbst stellt ein Volumen V₂ dar, das unmittelbar an V₁ anschließt. Dieses Volumen V₂ besitzt einen Querschnitt Q₂, der als konstant angesehen wird. Somit ergibt sich innerhalb des Gebläses eine Streckenlänge L₂, längs derer sich das Volumen V₂ erstreckt.

An den Austrittsstutzen des Gebläses, in dem übrigens das Gas und die Luft gemischt wer­ den, erstreckt sich ein Volumen V₃, in dem die Gemischverteilung zwischen Gas und Luft vervollkommnet wird. Dieses Volumen V₃ mit einem Querschnitt Q₃ erstreckt sich längs einer Strecke L₃. Das letzte Teilstück der Gesamtstrecke von A nach B wird durch das Volumen V₄ mit einem Querschnitt Q₄, der variabel ist, definiert, das sich längs der Strecke L₄ erstreckt und mit dem Innenraum 14 der Brennerhaube 15 identisch ist, aber das Volumen V_B des Brenners exkludiert. Das Ende der Strecke ist also mit der dem Brenner-Gesamtvolumen V_B zugewandten Seite des Brenners 16 erreicht. Hieran schließt sich das Volumen des Brenners, genauer der Brennerplatte V_B, selbst an. Dieses Volumen entspricht dem Raum, der im Hinblick auf die speziell gewählte Konstruktion des Brenners von ihm verdrängt wird.

Der Brenner arbeitet in eine Brennkammer 17 hinein, dessen Innenraum mit 18 bezeichnet ist. An ihn schließt sich der Wärmetauscher 20 an, unter dem ein Abgassammler 28 ange­ ordnet ist, von dem das Abgas über eine Abgasleitung 29 abgeleitet wird.

Bei Betrieb von derartigen Gebläsebrennergeräten können unerwünschte, heftige Schwin­ gungen im hörbaren Bereich auftreten, die von der Brennerbelastung, der Gasart, der Luft­ zahl, insbesondere im Anfahrzustand, wenn das Gerät selbst noch nicht gleichmäßig er­ wärmt ist, abhängig sind.

Abhilfe beschränkte sich zumeist auf sogenannte "Sekundärmaßnahmen", wie z. B. Mem­ branen in der Wand des Abgassystems.

Hier soll jedoch ein Weg aufgezeigt werden, wie man von vornherein über einfache, geome­ trische Zusammenhänge diese unerwünschten Schwingungen, insbesondere im Bereich der tiefsten, möglichen Frequenz (Grundfrequenz), verhindern kann.

Die folgenden Zusammenhänge beziehen sich auf sogenannte Flächenbrenner (z. B. Ke­ ramikbrenner); es ist jedoch möglich, auch andere Brennersysteme mit Hilfe der folgenden Zusammenhänge zu betrachten.

Nach Fig. 2 stehen beispielhaft die vier wesentlichen Volumina, Ansaugung V₁, Lüftersystem V₂, Gemischverteilung V₃ und Vorkammer V₄, in einem bestimmten Verhältnis zum Brenner­ volumen V_B und verteilen sich vom Beginn der Luftansaugung über eine Strecke AB = L_gesamt bis zum Brennereintritt nach einer bestimmten Vorgabe.

V_ges ist die Summe von V₁ + V₂ + V₃ + V₄ ohne V_B.

Dabei soll nach Möglichkeit gewährleistet sein:

V₁ < V₂ < V₃ < V₄ (1).

Weiterhin soll sein:

V₁ : V_B = V_1rel

bzw. allgemein für das Element n

V_n : V_B = V_n,rel (2a).

Entsprechendes gilt für V₂, V₃ und V₄; V_1rel bis V_4rel sind jeweils ein Vielfaches von V_B. Die zu den Volumina V₁ bis V₄ gehörigen Streckenabschnitte L₁ bis L₄ werden gleichermaßen defi­ niert: L_1rel bis L_4rel sind ein Vielfaches von L_ges, wobei L_ges die Summe von L₁ + L₂ + L₃ + L₄.

Es ist also:

L₁ : L_ges = L_1rel

bzw. allgemein für das Element

L_n : L_ges = L_n,rel (2b).

Es hat sich nun aus einer Vielzahl von Versuchen über den Zusammenhang der Volumina V_1rel bis V_4rel und ihre Verteilung auf die Strecken L_1rel bis L_4rel folgendes ergeben:

vergleiche Fig. 3,

wobei 2,2 < c < 3,5 (3c)

und 0,30 < d < 0,65 (3d)

sowie

Für die Gesamtzahl N der Elemente gilt:

Mit Hilfe der Gleichungen (3a) beziehungsweise (3b) kann man nun nach Fig. 3 den Zu­ sammenhang quantifizieren (c bedeutet die Steigung der Gerade 50 in der Fig. 3).

Bevorzugt wird

aus praktischen Erwägungen mit

-0,90 < lgV_n,rel < 1,5 (3i),

gewählt im Beispiel

-0,80 < lgV_n,rel < 1,4 (3j).

In Fig. 4 wird beispielhaft der stufenweise Aufbau der Volumina V_1rel bis V_4rel, verteilt über die gesamte Länge L_ges, dargestellt. Es ergeben sich schrittweise für

Mit Hilfe der Gleichungen (2a) und (2b) können dann die Volumina und die Längen bestimmt werden, wenn V_B und L_ges bekannt sind.

Umgekehrt ist es auch möglich, beispielhaft die Volumina des Lüftersystems V₂ und der Gemischverteilung V₃ vorab konstruktiv zu gestalten und dann nach Gleichung (3b) bezüg­ lich der fehlenden Volumina V₁ und V₄ zu verfahren.

Weiterhin ist es nach dem beschriebenen Verfahren möglich, mehr als die beschriebenen vier Volumina auf der Strecke L_ges zu verteilen. Dies ermöglicht es, kleinere "Volumen­ sprünge" zu realisieren und konstruktiv zu gestalten.

Wenn, wie beispielhaft gezeigt, die Volumina nacheinander aufgebaut werden, so werden keine unerwünschten Geräuschemissionen im Bereich der Grundfrequenz bei Betrieb von Gebläsegeräten mit Flächenbrennern, also mit sogenannter "flacher Flamme" (wie z. B. Ke­ ramikbrenner), erwartet. Wählt man mehrere, weitere Volumina, ist analog zu verfahren.

Wird ein Heizgerät gemäß Fig. 1 benutzt, das einen ansaugenden Lüfter im Abgasweg um­ faßt, so bleibt bei der Berechnung der Volumina und der Strecken das Volumen des Abgas­ gebläses außer Betracht. Ansonsten wird bezüglich der Bestimmung der Volumina analog verfahren, wobei auch hier alle Volumina und Strecken stromab des Brenners außer Be­ tracht bleiben.

Mit Hilfe dieses Verfahrens werden insbesondere "Brummtöne" im Bereich der Grundfre­ quenz vermieden und auch deren Obertöne, wenn die Folge der Volumina mehr als vier aufeinanderfolgende Volumensprünge aufweist.

Die Unterdrückung der Inhaltsemissionen gelingt, wenn die einzelnen Volumina der Ge­ samtstrecke in Durchströmrichtung des Luft- oder Gas-Luft-Gemisches ansteigen und wenn die Querschnitts-/Längenverhältnisse Q/L, in Durchströmrichtung gesehen, größer werden oder gleichbleiben. Dieses Ansteigen kann kontinuierlich oder stufig an den Übergangsstel­ len der Volumina geschehen.

Eventuell vorhandene Einengungen (Meßblenden) oder Erweiterungen (Flanschanschlüsse) der Querschritte sind unkritisch, wenn ihre Länge kurz (< 20%) gegenüber den Längen der benachbarten Querschnitte sind.

Claims (2)

1. Verfahren zum Unterdrücken von störenden Schallemissionen bei einer Verbrennung eines Gas-Luft-Gemisches, welches über ein mit einer Luftansaugöffnung versehenes Ansaugrohr, ein Gebläse und eine Vormischstrecke einem Brenner mit einer Vormischhau­ be zugeführt wird, wobei das Gas der Luft entlang dieser Ge­ samtstrecke beigemischt wird und stromab des Brenners ver­ brennt, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumina der Bauteile entlang der Strecke vom Ansaugrohr bis zur Vormischhaube an­ steigen und daß das Querschnitt-Längenverhältnis der Bauteile in Durchströmrichtung des Gas-Luft-Gemisches gleichfalls ansteigt oder gleichbleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstieg der Volumina nach der Beziehung
ansteigt, wobei c einen Faktor und d einen weiteren Faktor bedeu­ ten.