EP4246043B1 - Gasbrenneranordnung, gasheizgerät und verwendung - Google Patents

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EP4246043B1
EP4246043B1 EP23161656.6A EP23161656A EP4246043B1 EP 4246043 B1 EP4246043 B1 EP 4246043B1 EP 23161656 A EP23161656 A EP 23161656A EP 4246043 B1 EP4246043 B1 EP 4246043B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
burner
flame arrester
gas burner
flame
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP23161656.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP4246043A1 (de
EP4246043C0 (de
Inventor
Thomas Badenhop
Matthias Hopf
Andreas Reinert
Klaus Richter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vaillant GmbH filed Critical Vaillant GmbH
Publication of EP4246043A1 publication Critical patent/EP4246043A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP4246043B1 publication Critical patent/EP4246043B1/de
Publication of EP4246043C0 publication Critical patent/EP4246043C0/de
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details
    • F23D14/72—Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
    • F23D14/82—Preventing flashback or blowback
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2209/00—Safety arrangements
    • F23D2209/10—Flame flashback

Definitions

  • the invention relates to a gas burner arrangement, a gas heater and a use of a gas burner arrangement.
  • Gas burners for condensing boilers are often made of perforated metal sheets, which can be flat, curved, or cylindrical.
  • a fuel gas/air mixture supplied to the gas burner flows from the rear through the holes in the sheet and is ignited and burned at the front.
  • the fuel gas e.g., propane, methane, hydrogen, or mixtures thereof
  • different flame speeds occur during combustion. If the flame speed is higher than the outflow velocity of the fuel gas-air mixture from the burner holes, a so-called flashback can occur into the gas-air mixture path upstream of the burner. This type of flashback can also occur if the temperature of the perforated plate on the back is higher than the ignition temperature of the gas-air mixture used.
  • the gas-air mixture combusts unintentionally upstream of the burner or in the upstream combustion gas-air mixture path.
  • the consequences can be a pressure surge triggered by the combustion and/or high thermal stress on components in the combustion gas-air mixture path and/or other inlets.
  • a (plastic) impeller of a fan in the air supply can become thermally deformed or damaged by a pressure surge.
  • At least one flame arrester can be provided between the air supply and the burner, which extends over a line cross-section of the fuel gas-air mixture path, the air supply or the fuel gas supply.
  • the flame arrester can extend across the entire flow cross-section of the fuel gas-air mixture path and, in particular, prevent any bypass flow.
  • the flame arrester can be made of a high-temperature-resistant material, such as a metal, a ceramic, or mixtures thereof.
  • the flame arrester can be (permanently) fixed in or between housing sections of the fuel gas-air mixture path and/or the gas burner.
  • the flame arrester In addition to the mechanical and thermal stability of the flame arrester and its ability to stop or even (at least partially) extinguish an incoming flame front, there are other requirements. These include, for example, that the flame arrester has the lowest possible tendency to become contaminated and/or has a high degree of self-cleaning capability during operation, as dust particles are often introduced via the fuel gas-air mixture (or the ambient air mixed in). Such contamination can lead to a significant increase in pressure loss, which can result in a loss of performance of the gas heater.
  • the WO 93/18342 describes a porous metal fiberboard with a distribution plate as a flame barrier.
  • the porous metal fiberboard and the flame barrier have holes. In the areas not penetrated by the holes, the metal fiberboard exhibits its porous property.
  • the porosity of the metal fiberboard improves Combustion occurs above the metal fiberboard and supports the gas flow through the holes.
  • the flame arrester is only penetrable at the holes.
  • the EP 3 184 892 A1 describes a double-walled burner device in which two structural elements are arranged one behind the other.
  • the structural elements are grid elements.
  • the structural elements are spaced far enough apart that a combustion flame can still jump between the structural elements.
  • a gas heater is to be created in which mechanical and/or thermal stresses due to flashbacks can be reduced or avoided.
  • a (plastic) impeller of a fan in the air supply is to be protected from high thermal stress and/or a large pressure surge due to flashbacks.
  • a gas burner arrangement contributes to this, comprising at least one gas burner and a flame arrester formed with an inlet along an axis and an outlet oblique to this axis.
  • the at least one flame arrester can be inserted into a burner chamber of a gas burner of the gas heater.
  • the flame arrester and gas burner are designed such that a surface load during operation is in the range of 1.5 to 7.0 W/mm 2 , in particular in the range of 1.5 to 3.0 W/mm 2 [watts per square millimeter].
  • the at least one flame arrester has a porosity greater than 35% [percent].
  • the gas burner arrangement can, in particular, be designed as a coordinated set comprising a flame arrester and a gas burner.
  • the gas burner is designed with an internal, hollow burner chamber in which the flame arrester can be accommodated.
  • the burner chamber is at least partially delimited by a burner wall, which can have a plurality of grouped or evenly distributed openings.
  • the gas burner can be designed (perpendicular to the axis) with a substantially round or rectangular cross-section.
  • the burner wall is preferably formed from a steel sheet.
  • the combustion gas-air mixture can be supplied to the gas burner or flame arrester via an inlet.
  • the combustion gas-air mixture can flow through the inlet essentially along a central axis of the gas burner or burner chamber.
  • a change in the direction of the gas flow can be generated in the gas burner or burner chamber, so that the combustion gas-air mixture then leaves the burner chamber via the burner wall at an angle, in particular at an angle greater than 0° to the axis and preferably essentially perpendicular to the axis.
  • the combustion gas-air mixture flows through the flame arrester and the burner wall, which is provided with a plurality of openings, then ignites and thus forms a flame front outside the gas burner.
  • the flame arrester is spaced or protected from the (regular) flame front by the burner wall and/or the flame arrester is arranged on a side/surface of the burner wall facing away from the flame front.
  • the flame arrester can be adapted to the gas burner such that its outlet spans the outlet of the burner wall, in particular at least largely or even completely covers the outlet.
  • the flame arrester can be designed as a single layer (possibly with several superimposed layers of metal and/or ceramic) that encloses or delimits a partial volume of the burner chamber.
  • the flame arrester can be flowed through by the fuel gas/air mixture in the area of the outlet, wherein it is particularly designed such that it can be flowed through (approximately or exactly) in the same direction as the outlet of the gas burner.
  • the flame arrester prefferably be designed such that it can be mounted on the gas burner in the area of the inlet and, when mounted, extends (far) into the burner chamber, e.g., coaxially.
  • the extension of the flame arrester into the gas burner can be at least 50% of the axial length of the burner chamber, preferably at least 80%.
  • the surface area of the flame arrester should be as large as possible to achieve low pressure drops with and without dust exposure.
  • the surface load is preferably adapted to the extent of the flame arrester.
  • a surface load in the range of 3.0 to 7.0 W/ mm2 is maintained during operation for an extent of 50% to 80% of the axial length of the burner chamber, or a surface load in the range of 1.5 to 3.0 W/ mm2 is maintained during operation for an extent of 80% of the axial length of the burner chamber.
  • a flame arrester can also be used in so-called flat burners, which are particularly operated with hydrogen.
  • the flame arrester is designed, for example, as a parallel plane to the burner surface.
  • the other parameters and features are transferable accordingly.
  • a A gas burner arrangement may be provided, comprising at least one planar flame arrester, wherein the at least one planar flame arrester can be used in a burner chamber of a gas burner of a gas heater, and wherein the flame arrester and gas burner are designed such that a surface load during operation is in the range of 1.5 to 7.0 W/mm 2.
  • the flame arrester can be arranged one behind the other or along the flow direction between the inlet and the burner surface.
  • the flame arrester is designed in particular so that the (maximum) surface load during operation of the gas burner is in the range of 1.5 or 1.8 to 3.0 W/mm 2 , preferably in the range of 2.0 to 2.6 W/mm 2 .
  • the surface load can be referred to as the specific surface load.
  • the surface load can be determined from the quotient of the heating output of the gas burner and the active surface of the flame arrester (particularly including the outlet) (over which the fuel gas-air mixture flows).
  • the heating outputs of the gas heater or gas burner are known to the person skilled in the art, so that they can easily design the flame arrester accordingly.
  • the maximum or nominal output is in particular in the range of 10 kW [kilowatts] to 200 kW, e.g.
  • the flame arrester achieves particularly high effectiveness with a simultaneous low pressure drop. This can result in particularly intensive protection for the fan because, on the one hand, the effectiveness of the flame arrester reliably stops pressure surges and temperature fronts, and, on the other hand, very low fan power is required during regular operation due to the low pressure drop.
  • the at least one flame arrester can have a porosity of at least 35% and preferably a maximum of 50% (in the outlet region).
  • the porosity can be determined from the quotient of the sum of all freely flowable areas (pores) and the total active surface of the flame arrester (particularly in the outlet region). It is possible for the gas burner or the (adjacent) burner wall to be designed (at least in sections) with a significantly smaller porosity, for example by a factor of at least 2, in particular by a factor of at least 5 or even at least 10.
  • the free flow area is increased in order to reduce the pressure loss and, at the same time, the tendency to fouling for a given extinguishing distance (of the flame), e.g., less than 0.27 mm for hydrogen.
  • Porosity particularly relates to the volume porosity of the flame arrester. This also takes into account the dimensions of the freely flowing areas (pores) in the direction of the wall thickness of the flame arrester.
  • the flame arrester may not be flat (made of a single layer of material), but rather, for example, as a (thick-walled) body made of sintered powder or a multi-layer composite of expanded metal and/or nonwoven material.
  • a comparatively high porosity is advantageous for low pressure losses, although the wall thickness of the flame arrester must also be taken into account.
  • Sintered powder beds can be provided as flame arresters as thick-walled components, e.g., with a wall thickness in the range of 2 to 3 mm, which typically achieve relatively low porosities. This tends to result in high pressure losses.
  • Multi-layer sintered expanded metals can be comparatively thin (e.g., with a wall thickness in the range of up to 1 mm), whereby even a lower volume porosity leads to low pressure losses.
  • Nonwovens and open-pore foams can also be used to construct rather thick-walled flame barriers (e.g., with a wall thickness in the range of greater than 1 mm), and can also advantageously have high porosities.
  • the following preferred volume porosities are suggested for materials or structures of the flame barrier: sintered powder bed in the range of 26 - 48 vol.%; expanded metal (multi-layer) in the range of 35 - 50 vol.%; fleece in the range above 65 vol.%; open-pore foam in the range of 70 - 98 vol.%.
  • the outlet of the flame arrester can be arranged (or is arranged) perpendicular to the axis at a distance from a burner wall of the gas burner, in particular at a distance of greater than 1 millimeter. This applies in particular when the combustion gas-air mixture flows through the flame arrester and burner wall in the same (in particular radial) flow direction. This means in particular that the outlet of the flame arrester is away from the axis, i.e. the combustion gas-air mixture within the flame arrester is deflected from the central inflow parallel to the axis towards the distant outlet.
  • the outlet can be formed by means of a plurality of (micro) openings, (micro) slots or pores.
  • the outlet can be formed in a sleeve-like section of the flame arrester coaxial to the axis.
  • the deflection of the combustion gas-air mixture can be formed, for example, by means of a non-flow-through closing element (the flame arrester) which spans the axis and is located opposite the inlet.
  • a distance between the outlet of the flame arrester and a burner wall of the gas burner is in the range of 3 to 20 mm [millimeters], in particular in the range of 5 to 10 mm. It is particularly preferred that a selected distance is substantially constant over the entire outlet. It is possible for the distance to increase and/or decrease; in particular, a (slightly) conical envelope volume can be present between the outlet of the flame arrester and the burner wall of the gas burner. The distance between the outlet of the flame arrester and the outlet of the gas burner or the section of the burner wall through which the gas can flow is in to determine the direction of gas flow.
  • the flame arrester not be located directly against the rear of the burner wall, but that a preferably uniform gap with a predetermined distance be provided there.
  • the distance is designed in such a way that in the event of a flashback, the flame front can spread into the gap and thus cover a larger area of the flame surface.
  • the specified upper limit of the distance is useful in order to limit the ignitable volume of the combustion gas-air mixture in the combustion gas-air mixture path. This reduces the noise development and/or the pressure wave of the flashback.
  • the upper limit of the distance can be selected depending on the specific shape of the burner body and, if necessary, the structure or load limit of the layers of the flame arrester.
  • a further advantage of this distance is that the heat input into the flame arrester can be adjusted or limited during normal operation of the gas heater, which benefits the long-term, uniform functionality of the flame arrester. If the distance between the (hot) burner body and the flame arrester is too small, there is also a risk that the flame arrester will heat up to such an extent that the ignition temperature of the gas-air mixture is reached, resulting in an unwanted ignition. Even if the ignition temperature is not reached, if the flame arrester is too hot, heat dissipation will decrease, negatively impacting the extinguishing effect.
  • the distance or the selected distance is also important in the event of a flashback, for example, due to delayed ignition, because it reduces the surface loading of the flame arrester.
  • the hot gas flowing back through the burner surface is distributed over a larger area in the gap, which also distributes the absorbed heat or energy over a larger area. Furthermore, the flow velocity is reduced and the residence time is increased, which promotes flame extinguishing.
  • a combustion volume can be provided in the burner chamber, which lies between the at least one flame arrester and the burner wall of the gas burner and amounts to (greater than 0 but) a maximum of 70%, preferably at least 40% or even only at least 22% of the burner chamber.
  • the combustion volume can be described as the envelope volume between the flame arrester and the burner wall.
  • the combustion volume describes in particular the area in the gas burner in which the flame flashback spreads.
  • the flame arrester and the gas burner are in particular coordinated with one another in such a way that the volume between the two components is as small as possible because the combustion gas-air mixture burns in this area in the event of a flame flashback.
  • the energy converted in this process can thus be kept low. It is possible to specifically adapt or reduce the burner volume, for example by (local) deviations in the basic shape of the gas burner, internal fittings in the gas burner or the like, without reducing the active burner area.
  • a combined flow through the flame arrester and the gas burner is adjusted in such a way that a Péclet number of less than 65 is present. It is particularly preferred that a Péclet number of less than 15 is present, whereby this limit should apply in particular when the arrangement is operated with hydrogen or a fuel gas-air mixture comprising hydrogen.
  • the Péclet number is a criterion familiar to those skilled in the art, which can be used to determine whether a flame front propagates in a material or a collection of materials.
  • the (modified) Péclet number is calculated using the laminar burning rate instead of the flow rate.
  • the characteristic length is an effective pore diameter, which, in contrast to the conventional formulation, which is calculated using a length equivalent to flow processes, represents a measure equivalent to heat transport. This length can be understood as the extinguishing distance of a pipe for the same mixture composition.
  • the (modified) Péclet number can thus be understood as the ratio of heat production (burning rate) to the reaction to heat dissipation through heat conduction. Further explanations, to which reference can be made in full, can be found in the DE 43 22 109 A1 .
  • Gas burner arrangement comprising at least one flame arrester formed with an inlet (along an axis) and an outlet (oblique to this axis).
  • the at least one flame arrester can be inserted into a burner chamber of a gas burner of a gas heater.
  • a combined flow through the flame arrester and gas burner is coordinated such that a Péclet number of less than 65 is achieved. If appropriate, this arrangement can be the basis for all further designs of the gas burner and/or the flame arrester proposed here.
  • This criterion can now be used to determine an effective pore diameter of the flame arrester for a given composition of the fuel gas-air mixture, with which flame propagation can be prevented.
  • the Péclet number criterion was formulated for a static gas mixture in a cold porous medium, it is applied here to porous media through which a flow occurs.
  • the effective pore diameter of the flame arrester is the diameter for a circular pore; for pore shapes of other shapes, it is a corresponding "hydraulic" diameter.
  • the laminar burning rate (sometimes also called “laminar flame speed") depends on the fuel gas-air mixture and is thus also a function of the air ratio.
  • the laminar burning rate for fuel gas-air mixtures reaches its maximum at a stoichiometric ratio.
  • a gas heater is provided with a predetermined power range which is in the range of 10 to 200 kW and has a gas burner arrangement of the type disclosed here.
  • the features disclosed for the gas burner assembly can also be used individually and/or in combination with one another to characterize the gas heater.
  • the gas heater is particularly configured for the combustion of hydrogen or a hydrogen-containing fuel gas-air mixture.
  • the gas heater may comprise an ignition device, a control and regulation unit, a gas delivery unit, and a flame monitor.
  • a gas burner arrangement of the type disclosed here is proposed for preventing or extinguishing flashbacks during the combustion of hydrogen-containing gases.
  • Fig. 1 shows the basic structure of a gas heater 8.
  • This forms a fuel gas-air mixture path 18, through which, for example, a mixture of a fuel gas (such as hydrogen or natural gas) and ambient air can flow in a flow direction 10 (during regular operation), whereby this fuel gas-air mixture path 18 opens or ends in a gas burner 7.
  • the fuel gas-air mixture path 18 can be created or formed from two line connections, a line connection for fuel gas with an actuating element 17 (valve) for the metered, controlled addition of fuel gas into a stream of ambient air, which can be added by a conveyor device 16 (blower) via a combustion air path 15.
  • the fuel gas-air mixture or gas mixture passes through the gas burner 7 and can be ignited externally by means of an ignition device 19.
  • the resulting flames 14 are normally arranged outside the gas burner 7 in a combustion chamber, which can be used, for example, to heat an external heat exchanger 13 through which heating water flows. This describes regular operation.
  • a gas burner arrangement 1 with a (single) flame arrester 2 ensures that the flame front is stopped or extinguished there.
  • Fig. 2 shows a (cylindrical) gas burner arrangement 1 schematically and in longitudinal section, which has a (cylindrical) flame arrester 2.
  • the combustion gas-air mixture flows via the inlet 3 into the burner chamber 6 or the flame arrester 2.
  • the gas burner 7 can be designed with a flange 20, wherein the flame arrester 2 can be mounted there in an aligned manner, if necessary also via a collar. It can thus be provided that the burner wall 9 of the gas burner 7 and the flame arrester 2 are formed at least partially coaxially around a central axis 4.
  • the flow direction 10 of the combustion gas-air mixture corresponds approximately to the course of the axis 4 in the region of the inlet 3.
  • the flame arrester 2 forms (radially and circumferentially) a (large-area) outlet 5, which ensures that the combustion gas-air mixture flows out at an angle or, in this case, perpendicular to this axis 4.
  • the flame arrester 2 is inserted into the burner chamber 6 of the gas burner 7 or is completely accommodated by it. It should be noted that the gas burner 7 has a significantly greater length in the direction of the axis 4 than the extension of the flame arrester 2 in this direction. Therefore, a closure element 21 was provided in the gas burner 7, which extends into the burner chamber 6 to reduce the volume between the burner wall 9 and the flame arrester 2.
  • the flame arrester 2 and the gas burner 7 are designed so that a surface load during operation is in the range of 1.8 to 3.0 W/mm 2.
  • a surface load during operation is in the range of 1.8 to 3.0 W/mm 2.
  • the spatial dimensions and/or the position of the two components in relation to each other must be set up or coordinated accordingly.
  • Fig. 3 illustrates another embodiment of a (cylindrical) gas burner in longitudinal section. Since the same components are provided with the same reference numerals, reference can be made to the above explanations in full.
  • a flat, plate-shaped end element 21 (cover) is provided, to which the outer surface of the flame arrester 2 is fastened.
  • the flame arrester 2 is integrated, i.e. the flame arrester 2 is inseparably connected to the gas burner 2.
  • the cover and flange of the gas burner 2 also provide the fastening surfaces for the flame arrester 2.
  • the flame arrester 2 is thus formed over the entire axial length of the gas burner 2. It is further provided that these two components form a constant (small) distance 11 from one another, so that a combustion volume 12 (small) is preset.

Landscapes

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Gas Burners (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Gasbrenneranordnung, ein Gasheizgerät und eine Verwendung einer Gasbrenneranordnung.
  • Gasbrenner für Brennwertheizgeräte bestehen häufig aus gelochten Blechen, welche flach, gewölbt oder auch als Zylinder ausgeführt sein können. Ein für den Gasbrenner bereitgestelltes Brenngasluft-Gemisch strömt von hinten durch die Löcher des Bleches und wird auf der Vorderseite gezündet und verbrannt.
  • Je nach Zusammensetzung des Brenngases (z. B. Propan, Methan, Wasserstoff oder Gemische daraus) ergeben sich unterschiedliche Flammengeschwindigkeiten in der Verbrennung. Ist die Flammengeschwindigkeit höher als die Ausströmgeschwindigkeit des Brenngasluftgemisches aus den Löchern des Brenners, kann es zu einem sogenannten Flammenrückschlag hinein in den Gasluftgemischweg vor dem Brenner kommen. Ein solcher Flammenrückschlag kann auch entstehen, wenn die Lochblechtemperatur auf der Rückseite höher als die Zündtemperatur des verwendeten Gasluftgemisches ist.
  • Bei derartigen Rückzündungen bzw. Flammenrückschlägen verbrennt dann ungewollt das Gasluftgemisch schon vor dem Brenner bzw. in dem vorgelagerten Brenngasluft-Gemischweg. Die Folgen können ein durch die Verbrennung ausgelöster Druckstoß und/oder eine hohe thermische Belastung von Bauteilen im Brenngasluft-Gemischweg und/oder weiterer Zuläufe sein. Zum Beispiel kann ein (Kunststoff-) Laufrad eines Gebläses in der Luftzufuhr sich thermisch verformen oder durch einen Druckstoß beschädigt werden.
  • Zur Reduzierung dieser Rückzündungen bzw. Flammenrückschläge bzw. deren Folgen für das Gasheizgerät kann zwischen der Luftzufuhr und dem Brenner mindestens eine Flammensperre vorgesehen ist, die sich über einen Leitungsquerschnitt des Brenngasluft-Gemischweges, der Luftzufuhr oder der Brenngaszufuhr erstreckt. Mit der Vorsehung einer Flammensperre in dem mit Gas betriebenen Heizgerät kann bei Auftreten eines Flammenrückschlages in dem Brenngasluft-Gemischweg die Flamme zum Erlöschen gebracht werden, bevor eine thermische Überlastung von Bauteilen auftritt und/oder bevor der bei der Rückzündung entstehende Druckimpuls so hoch wird, dass Bauteile mechanisch überlastet werden.
  • Die Flammensperre kann sich über den gesamten Strömungsquerschnitt des Brenngasluft-Gemischwegs hinweg erstrecken, und insbesondere keinen Bypass-Strom zulassen. Die Flammensperre kann aus einem hochtemperaturfesten Material gefertigt sein, wie z.B. einem Metall, einer Keramik oder Mischungen daraus. Die Flammensperre kann in oder zwischen Gehäuseabschnitten des Brenngasluft-Gemischwegs und/oder des Gasbrenners (dauerhaft) fixiert sein.
  • Neben der mechanischen und thermischen Stabilität der Flammensperre sowie deren Funktion, eine auftreffende Flammenfront aufzuhalten bzw. sogar (zumindest teilweise) zu löschen, gibt es weitere Anforderungen. Hierzu zählt beispielsweise, dass die Flammensperre eine möglichst geringe Verschmutzungsneigung und/oder hohe Selbstreinigungseignung im Betrieb hat, denn oft werden auch Stäube über das Brenngasluft-Gemisch (bzw. die beigemischte Luft der Umgebung) mit eingetragen. Solche Verschmutzungen können zu einer nennenswerten Druckverluststeigerung führen, welche zu einem Leistungsverlust des Gasheizgeräts führen können.
  • Die WO 93/18342 beschreibt eine poröse Metallfaserplatte mit einer Verteilerplatte als Flammensperre. Die poröse Metallfaserplatte und die Flammensperre weisen Löcher auf. In den Bereichen, die nicht durch die Löcher durchdrungen sind, weist die Metallfaserplatte ihre poröse Eigenschaft auf. Die Porosität der Metallfaserplatte verbessert eine Verbrennung oberhalb der Metallfaserplatte und unterstützt den Gasstrom durch die Löcher. Die Flammensperre ist nur an den Löchern durchdringbar.
  • Die EP 3 184 892 A1 beschreibt eine doppelwandige Brennervorrichtung, wobei zwei Strukturelemente hintereinander angeordnet sind. Die Strukturelemente sind Gitterelemente. Die Strukturelemente sind so weit voneinander beabstandet, dass ein Überspringen einer Verbrennungsflamme zwischen den Strukturelementen noch möglich ist.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lindern und insbesondere eine Flammensperre anzugeben, deren Aufbau an verschiedene Betriebs- bzw. Umgebungsbedingungen bei Gasbrennern bzw. Gasheizgeräten einfach, flexibel und kosteneffizient anpassbar ist. Weiter ist ein Gasheizgerät zu schaffen, bei dem mechanische und/oder thermische Belastungen aufgrund von Flammenrückschlägen vermindert oder vermieden werden können. Insbesondere soll ein (Kunststoff-) Laufrad eines Gebläses in der Luftzufuhr vor einer hohen thermischen Belastung und/oder einen großen Druckstoß aufgrund eines Flammenrückschlags geschützt werden.
  • Diese Aufgabe wird insbesondere mit einer Gasbrenneranordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, einem Gasheizgerät gemäß Anspruch 7 sowie einer Verwendung gemäß Anspruch 8 gelöst. Bevorzugte Ausführungsvarianten sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die in den Ansprüchen angegeben Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und führen zu weiteren Ausführungsvarianten. Die Beschreibung, insbesondere mit Bezug auf die Figuren, erläutert die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.
  • Hierzu trägt eine Gasbrenneranordnung bei, welche zumindest einen Gasbrenner und eine Flammensperre umfasst, die mit einem Einlass entlang einer Achse und einem Austritt schräg zu dieser Achse gebildet ist. Die zumindest eine Flammensperre ist in einen Brennerraum eines Gasbrenners des Gasheizgerätes einsetzbar. Dabei sind Flammensperre und Gasbrenner so gestaltet, dass eine Flächenlast im Betrieb im Bereich von 1,5 bis 7,0 W/mm2, insbesondere im Bereich von 1,5 bis 3,0 W/mm2 [Watt pro Quadratmillimeter] liegt. Weiter weist die zumindest eine Flammensperre eine Porosität größer 35 % [Prozent] auf.
  • Die Gasbrenneranordnung kann insbesondere nach Art eines abgestimmten Sets aus Flammsperre und Gasbrenner ausgeführt sein. Der Gasbrenner ist mit einem innenliegenden, holen Brennerraum ausgeführt, in dem die Flammsperre untergebracht werden kann. Der Brennerraum ist zumindest teilweise von einer Brennerwand begrenzt, wobei die Brennerwand eine Vielzahl von gruppierten oder gleichmäßig verteilten Öffnungen aufweisen kann. Der Gasbrenner kann (senkrecht zur Achse) mit einem im Wesentlichen runden oder rechteckigen Querschnitt ausgeführt sein. Die Brennerwand ist bevorzugt mit einem Stahlblech gebildet.
  • Dem Gasbrenner bzw. der Flammensperre kann über einen Einlass das Brenngasluft-Gemisch zugeführt werden. Über den Einlass kann das Brenngasluft-Gemisch im Wesentlichen entlang einer zentralen Achse des Gasbrenners bzw. des Brennerraumes einströmen. In dem Gasbrenner bzw. Brennerraum kann eine Richtungsänderung der Gasströmung erzeugt werden, so dass das Brenngasluft-Gemisch dann schräg, insbesondere in einem Winkel größer 0° zur Achse und bevorzugt im Wesentlichen senkrecht, zur Achse den Brennerraum über die Brennerwand verlässt. Das Brenngasluft-Gemisch durchströmt Flammensperre und die mit einer Vielzahl von Öffnungen versehene Brennerwand, entzündet sich danach und bildet demnach außerhalb des Gasbrenners eine Flammenfront aus. Mit anderen Worten ist die Flammensperre von der (regulären) Flammenfront durch die Brennerwand beabstandet bzw. geschützt und/oder die Flammensperre ist auf einer der Flammenfront abgewandten Seite / Oberfläche der Brennerwand angeordnet.
  • Die Flammensperre kann so an den Gasbrenner angepasst sein, dass diese mit ihrem Austritt den Auslass der Brennerwand überspannt, insbesondere den Auslass zumindest weitreichend oder sogar vollständig überdeckt. Die Flammensperre kann als eine einzelne Lage (ggf. mit mehreren aufeinanderliegenden Schichten aus Metall und/oder Keramik) ausgeführt sein, die ein Teilvolumen des Brennerraumes einschließt bzw. abgrenzt. Die Flammensperre ist im Bereich des Austritts für das Brenngasluft-Gemisch durchströmbar, wobei diese insbesondere so ausgeführt ist, dass diese (etwa oder exakt) mit derselben Strömungsrichtung durchströmbar ist, wie der Auslass des Gasbrenners. Es ist möglich, dass die Flammensperre so gestaltet ist, dass diese im Bereich des Einlasses an dem Gasbrenner montierbar ist und im montierten Zustand sich (weit) in den Brennerraum hinein erstreckt, z. B. auch koaxial. Die Erstreckung der Flammsperre in den Gasbrenner kann mindestens 50% der axialen Länge des Brennerraums betragen, bevorzugt mindestens 80 %. Die Oberfläche der Flammsperre sollte so groß wie möglich sein, um geringe Druckverluste mit und ohne Staubbelastung zu erreichen. Bevorzugt ist die Flächenlast auf die Erstreckung der Flammsperre angepasst, z. B. ist eine Flächenlast im Betrieb im Bereich von 3,0 bis 7,0 W/mm2 eingehalten bei einer Erstreckung über 50 % bis 80 % der axialen Länge des Brennerraums bzw. eine Flächenlast im Betrieb im Bereich von 1,5 bis 3,0 W/mm2 eingehalten bei einer Erstreckung über 80 % der axialen Länge des Brennerraums.
  • Auch bei sogenannten Flachbrennern, die insbesondere mit Wasserstoff betrieben werden, kann eine Flammensperre zum Einsatz gelangen. Dort ist die Flammensperre z.B. als parallele Ebene zur Brennerfläche ausgeführt. Die weiteren Parameter und Merkmale sind entsprechend übertragbar. Insbesondere kann hier eine Gasbrenneranordnung vorgesehen sein, umfassend zumindest eine flächige Flammensperre, wobei die zumindest eine flächige Flammensperre in einem Brennerraum eines Gasbrenners eines Gasheizgerätes einsetzbar ist, und wobei Flammensperre und Gasbrenner so gestaltet sind, dass eine Flächenlast im Betrieb im Bereich von 1,5 bis 7,0 W/mm2 liegt. In diesem Fall kann die Flammensperre hintereinander bzw. entlang der Strömungsrichtung zwischen Einlass und Brennerfläche angeordnet sein.
  • Die Flammensperre ist insbesondere so ausgelegt, dass die (maximale) Flächenlast im Betrieb des Gasbrenners im Bereich von 1,5 bzw. 1,8 bis 3,0 W/mm2 liegt, bevorzugt im Bereich von 2,0 bis 2,6 W/mm2. Die Flächenlast kann als spezifische Flächenlast bezeichnet werden. Die Flächenlast kann sich bestimmen lassen aus dem Quotienten aus Heizleistung des Gasbrenners und (der von Brenngasluft-Gemisch beströmten) aktiven Oberfläche der Flammensperre (insbesondere umfassend den Austritt). Dem Fachmann sind die Heizleistungen des Gasheizgerätes bzw. des Gasbrenners bekannt, so dass er die Flammensperre danach problemlos auslegen kann. Bei den hier betrachteten Gasheizgeräten liegt die maximale bzw. nominale Leistung insbesondere im Bereich von 10 kW [Kilowatt] bis 200 kW, z. B. im Bereich von 15 kW bis 130 kW bzw. ggf. bis 65 kW. Liegt die Heizleistung beispielsweise bei 28 kW und ist die Flammsperre hülsenartig ausgeführt mit einer aktiven Oberfläche über eine axiale Erstreckung von 63 Millimetern und einem Durchmesser von 55 Millimeter, so ergibt sich eine Flächenlast von 2,57 Watt/Quadratmillimeter. In dem hier angegebenen Bereich ergibt sich eine besonders hohe Wirksamkeit der Flammensperre bei gleichzeitig geringem Druckverlust. Dies kann einen besonders intensiven Schutz des Gebläses zur Folge haben, weil die Wirksamkeit der Flammensperre einerseits sicher Druckstöße und Temperaturfronten aufhält, und andererseits im regulären Betrieb wegen des geringen Druckverlusts sehr niedrige Gebläse-Leistungen erforderlich sind.
  • Die zumindest eine Flammsperre kann (im Bereich des Austritts) eine Porosität von mindestens 35 % und bevorzugt maximal 50 % aufweisen. Die Porosität kann aus dem Quotienten der Summe aller frei durchströmbaren Bereiche (Poren) und der gesamten aktiven Oberfläche der Flammensperre (insbesondere im Bereich des Austritts) bestimmt werden. Es ist möglich, dass der Gasbrenner bzw. die (benachbarte) Brennerwand (wenigstens abschnittsweise) mit einer deutlich kleineren Porosität ausgeführt ist, beispielsweise um einen Faktor von mindestens 2, insbesondere einem Faktor von mindestens 5 oder sogar mindestens 10. Bei den hier vorgeschlagenen vorgeschalteten Flammensperren erhöht man die freie Durchströmungsfläche, um bei gegebenem Löschabstand (der Flamme), z.B. kleiner 0,27 mm bei Wasserstoff, den Druckverlust und gleichzeitig die Verschmutzungsneigung zu reduzieren.
  • Die Porosität betrifft insbesondere eine Volumenporosität der Flammsperre. Hierbei werden auch die Ausdehnungen der frei durchströmbaren Bereiche (Poren) in Richtung der Wanddicke der Flammsperre berücksichtigt. Es ist möglich, dass die Flammsperre nicht flächig (aus einer Schicht eines Materials) ausgeführt ist, sondern z. B. als (dickwandiger) Körper aus gesintertem Pulver oder einem Mehrlagenverbund aus Streckmetall und/oder Vliesmaterial. Vorteilhaft für geringe Druckverluste ist eine vergleichsweise hohe Porosität, wobei auch die Wanddicke der Flammensperre zu berücksichtigen ist. Gesinterte Pulverschüttungen können als Flammsperre als dickwandige Bauteile, z. B. mit einer Wanddicke im Bereich von 2 bis 3 mm bereitgestellt werden, die typischerweise eher niedrige Porositäten erreichen. Daraus resultieren tendenziell hohe Druckverluste. Mehrlagige gesinterte Streckmetalle können vergleichsweise dünn ausgeführt sein (z. B. mit einer Wanddicke im Bereich bis maximal 1 mm), wodurch auch eine geringere Volumenporosität zu geringen Druckverlusten führt. Vliese und offenporige Schäume können ebenfalls zum Aufbau eher dickwandig Flammensperren (z. B. mit einer Wanddicke im Bereich größer 1 mm) herangezogen werden, und können auch vorteilhaft hohe Porositäten aufweisen. Mit Blick auf die hier angebenden Materialien bzw. Aufbauten der Flammsperre werden folgende bevorzugte Volumenporositäten vorgeschlagen: gesinterte Pulverschüttung im Bereich von 26 - 48 Vol.-%; Streckmetall (mehrlagig) im Bereich von 35 - 50 Vol.-%; Vlies im Bereich oberhalb 65 Vol.-%; offenporiger Schaum im Bereich von 70 - 98 Vol.-%.
  • Bevorzugt ist, dass der Austritt der Flammsperre senkrecht zur Achse beabstandet von einer Brennerwand des Gasbrenners anordenbar (oder angeordnet) ist, insbesondere mit einem Abstand größer 1 Millimeter. Dies gilt insbesondere dann, wenn Flammensperre und Brennerwand mit derselben (insbesondere radialen) Strömungsrichtung von dem Brenngasluft-Gemisch durchströmt werden. Damit ist insbesondere gemeint, dass der Austritt der Flammensperre von der Achse entfernt ist, also das Brenngasluft-Gemisch innerhalb der Flammensperre von der zentralen Anströmung parallel zur Achse hin zu dem entfernten Austritt umgelenkt wird. Der Austritt kann mittels einer Vielzahl von (Mikro-)Öffnungen, (Mikro-)Schlitze bzw. Poren gebildet sein. Der Austritt kann in einem hülsenartigen Abschnitt der Flammensperre koaxial zur Achse ausgebildet sein. Das Umlenken des Brenngasluft-Gemisches kann beispielsweise mittels eines nicht durchströmbaren Abschlusselements (der Flammensperre) gebildet sein, die die Achse überspannt und dem Eintritt gegenüberliegt.
  • Bevorzugt ist, dass in Strömungsrichtung des Gases ein Abstand von dem Austritt der Flammsperre und einer Brennerwand des Gasbrenners im Bereich von 3 bis 20 mm [Millimeter] liegt, insbesondere im Bereich von 5 bis 10 mm. Ganz besonders bevorzugt ist, dass ein ausgewählter Abstand über den gesamten Austritt hin im Wesentlichen konstant ist. Es ist möglich, dass der Abstand sich vergrößert und/oder verkleinert, insbesondere kann ein (geringfügig) konisches Hüllvolumen zwischen Austritt der Flammsperre und der Brennerwand des Gasbrenners vorliegen. Der Abstand von Austritt der Flammsperre und Auslass des Gasbrenners bzw. durchströmbarer Abschnitt der Brennerwand ist in Strömungsrichtung des Gases zu bestimmen. Es wird also insbesondere vorgeschlagen, dass die Flammensperre nicht direkt an der Rückseite der Brennerwand anliegt, sondern dass dort zunächst ein bevorzugt gleichmäßiger Spalt mit einem vorgegebenen Abstand vorgesehen ist. Der Abstand ist insbesondere so gestaltet, dass im Fall eines Flammenrückschlages sich die Flammenfront in den Spalt hinein ausbreiten und damit großflächiger die Oberfläche der Flammenfläche beauftragen kann. Die angegebene Obergrenze des Abstandes ist sinnvoll, um das zündbare Volumen von Brenngasluft-Gemisch im Brenngasluft-Gemischweg zu begrenzen. Dadurch wird die Geräuschentwicklung und/oder die Druckwelle des Flammenrückschlags reduziert. Die Obergrenze des Abstandes kann neben der konkreten Gestalt des Brennerkörpers ggf. auch von dem Aufbau bzw. der Belastungsgrenze der Lagen der Flammensperre angepasst gewählt werden. Ein weiterer Vorteil dieses Abstandes ist, dass der Wärmeeintrag in die Flammensperre während des normalen Betriebes des Gasheizgeräts eingestellt bzw. begrenzt werden kann, was einer langzeitig gleichmäßigen Funktionalität der Flammensperre zugutekommt. Bei zu geringem Abstand zwischen dem (heißen) Brennerkörper und der Flammensperre besteht zudem die Gefahr, dass sich die Flammensperre so stark erhitz, dass die Zündtemperatur des Gas-Luftgemisches erreicht wird und es zu einer ungewollten Entzündung kommt. Auch wenn die Zündtemperatur nicht erreicht wird, so sinkt bei doch zu heißer Flammensperre die Wärmeabfuhr, so dass die Verlöschwirkung negativ beeinflusst wird.
  • Es wird als sehr vorteilhaft angesehen, eine Querströmung zwischen Flammensperre und Brennerfläche zu ermöglichen, damit die gesamte (aktive) Oberfläche der Flammensperre durchströmt und damit genutzt werden kann. Bei einem Abstand von 0 mm würde die Flammensperrenfläche direkt unter bzw. benachbart der Brennerlöcher durchströmt. Im Regelbetrieb ergeben sich dadurch hohe Druckverluste durch die Flammensperre. Wird dagegen ein Abstand vorgesehen, wird z.B. ein Brennerloch von 0,5 mm2 [Quadratmillimeter] Querschnittsfläche aus z.B. 5,0 mm2 Querschnittsfläche der Flammensperre versorgt. Dadurch sinken die Druckverluste der Flammensperre stark. Auch im Fehlerfall bei einem Flammenrückschlag durch z.B. eine verzögerte Zündung ist der Abstand bzw. das gewählte Abstandsmaß wichtig, weil so die Flächenbelastung der Flammensperre reduziert wird. Das durch die Brennerfläche rückströmende heiße Gas verteilt sich im Spalt auf eine größere Fläche, wodurch auch die aufzunehmende Hitze bzw. Energie auf eine größere Fläche verteilt wird. Weiterhin wird auch die Strömungsgeschwindigkeit gesenkt und die Verweilzeit erhöht, was die Flammlöschung begünstigt.
  • Es kann ein Brennvolumen im Brennerraum vorgesehen sein, das zwischen der zumindest einen Flammensperre und der Brennerwand des Gasbrenners liegt und (größer 0 aber) maximal 70 %, bevorzugt mindestens 40 % oder sogar nur mindestens 22% des Brennerraums beträgt. Das Brennvolumen kann als Hüllvolumen zwischen Flammensperre und Brennerwand beschrieben werden. Das Brennvolumen beschreibt insbesondere den Bereich im Gasbrenner, in dem sich der Flammenrückstoß ausbreitet. Die Flammensperre und der Gasbrenner sind insbesondere so aufeinander abgestimmt, dass das Volumen zwischen den beiden Bauteilen möglichst klein ist, weil das Brenngasluft-Gemischgemisch im Falle des Flammenrückschlags in diesem Bereich verbrennt. Die dabei umgesetzte Energie kann so klein gehalten werden. Es ist möglich, das Brennervolumen gezielt anzupassen bzw. zu verkleinern, beispielsweise durch (lokale) Abweichungen der Grundform des Gasbrenners, Einbauten in dem Gasbrenner oder dergleichen, ohne die aktive Brennerfläche dabei zu verkleinern.
  • Es ist möglich, dass eine kombinierte Durchströmbarkeit von Flammensperre und Gasbrenner so abgestimmt ist, dass eine Péclet-Zahl kleiner 65 vorliegt. Besonders bevorzugt ist, dass eine Péclet-Zahl kleiner 15 vorliegt, wobei diese Grenze insbesondere bei einem Betrieb der Anordnung mit Wasserstoff bzw. Wasserstoff umfassenden Brenngasluft-Gemisches gelten soll.
  • Die Péclet-Zahl ist ein dem Fachmann geläufiges Kriterium, mit dem bestimmt werden kann, ob sich eine Flammenfront in einem Material bzw. einer Materialansammlung ausbreitet oder nicht. Hierbei wird die (modifizierte) Péclet-Zahl statt einer Strömungsgeschwindigkeit mit der laminaren Brenngeschwindigkeit gebildet. Als charakteristische Länge kommt ein effektiver Porendurchmesser zum Einsatz, der im Gegensatz zur herkömmlichen Formulierung, die mit einem für Strömungsvorgänge äquivalenten Längenmaß gebildet wird, ein für den Wärmetransport äquivalentes Maß darstellt. Dieses Längenmaß kann als Löschabstand eines Rohrs bei gleicher Gemischzusammensetzung verstanden werden. Die (modifizierte) Péclet-Zahl kann somit als Verhältnis aus Wärmeproduktion (Brenngeschwindigkeit) und die Reaktion zu Wärmeabfuhr durch die Wärmeleitung aufgefasst werden. Weitere Erläuterungen, auf die vollumfänglich Bezug genommen werden kann, finden sich in der DE 43 22 109 A1 .
  • Es wird auch vorgeschlagen, ggf. eine Ausführung der Gasbrenneranordnung ohne Beschränkung der Flächenlast aber mit Charakterisierung der Péclet-Zahl zu wählen, insbesondere mit zumindest folgenden Merkmalen: Gasbrenneranordnung, welche zumindest eine Flammensperre umfasst, die mit einem Einlass (entlang einer Achse) und einem Austritt (schräg zu dieser Achse) gebildet ist. Die zumindest eine Flammensperre ist in einen Brennerraum eines Gasbrenners eines Gasheizgerätes einsetzbar. Eine kombinierte Durchströmbarkeit von Flammensperre und Gasbrenner ist so abgestimmt, dass eine Péclet-Zahl kleiner 65 vorliegt. Gegebenenfalls kann diese Anordnung die Basis für alle weiteren hier vorgeschlagenen Ausgestaltungen des Gasbrenners und/oder der Flammensperre sein.
  • Dieses Kriterium kann nun dazu genutzt werden, um für eine gegebene Zusammensetzung des Brenngasluft-Gemisches einen effektiven Porendurchmesser bzgl. der Flammensperre zu bestimmen, mit dem eine Flammenausbreitung verhindert werden kann. Obwohl das Péclet-Zahl-Kriterium für ein ruhendes Gasgemisch in einem kalten porösen Medium formuliert wurde, soll es hier auf durchströmte poröse Medien angewendet werden. Hierzu wird die modifizierte Péclet-Zahl (Pe) definiert als das Produkt aus effektivem Porendurchmesser der Flammensperre (DP) und laminarer Brenngeschwindigkeit (vB) dividiert durch die Temperaturleitfähigkeit (a) des Brenngasgemisches (Pe = (DP x vB / a)). Der effektive Porendurchmesser der Flammensperre ist der Durchmesser bei einer kreisrunden Pore, bei abweichenden Formen der Pore ein entsprechender "hydraulischer" Durchmesser. Die laminare Brenngeschwindigkeit (teilweise auch so genannte "laminare Flammengeschwindigkeit") ist abhängig vom Brenngasluft-Gemisch und somit auch eine Funktion des Luftverhältnisses. Das Maximum erreicht die laminare Brenngeschwindigkeit für Brenngasluft-Gemische bei einem stöchiometrischen Verhältnis. Die laminare Brenngeschwindigkeit für ein Wasserstoff-Luft-Gemisch bei stöchiometrischem Verhältnis (T=27°C, P = 1 bar) beträgt 200 cm/s. Die laminare Brenngeschwindigkeit für das Methan-Luft-Gemisch bei stöchiometrischem Verhältnis (T=27°C, P = 1 bar) beträgt 38,39 cm/s.
  • Einem weiteren Aspekt folgend wird ein Gasheizgerät mit einem vorgegebenen Leistungsbereich angegeben, der im Bereich von 10 bis 200 kW liegt, und eine Gasbrenneranordnung der hier offenbarten Art aufweist.
  • Die zur Gasbrenneranordnung offenbarten Merkmale können einzeln und/oder in Kombination miteinander auch zur Charakterisierung des Gasheizgerätes herangezogen werden. Das Gasheizgerät ist insbesondere eingerichtet zur Verbrennung von Wasserstoff oder wasserstoffhaltigem Brenngasluft-Gemisch. Das Gasheizgerät kann eine Zündvorrichtung, eine Regel- und Steuereinheit, eine Gas-Fördereinheit und eine Flammenüberwachung umfassen.
  • Einem weiteren Aspekt folgend wird die Verwendung einer Gasbrenneranordnung der hier offenbarten Art zur Verhinderung oder Löschung von Flammenrückschlägen bei der Verbrennung von wasserstoffhaltigen Gasen vorgeschlagen.
  • Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand von Figuren weiter erläutert. Es sei darauf hingewiesen, dass die in den Figuren veranschaulichten Merkmale - soweit nicht explizit etwas anderes vorgetragen wird - extrahierbar sind und/oder in beliebiger, technologischer Weise mit anderen Merkmalen der weiteren Figuren, der allgemeinen Beschreibung oder Ansprüche kombinierbar sind. Die Figuren sind schematisch und sind regelmäßig nicht geeignet, tatsächliche Größenverhältnisse abzubilden. Es zeigen:
    • Fig. 1:
    ein Gasheizgerät mit einer Gasbrenneranordnung im Teilschnitt,
    Fig. 2:
    eine erste Ausführungsvariante der Gasbrenneranordnung, und
    Fig. 3:
    eine zweite Ausführungsvariante der Gasbrenneranordnung
  • Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Gasheizgerätes 8. Dieses bildet einen Brenngasluft-Gemischweg 18 aus, der z. B. von einem Gemisch aus einem Brenngas (wie Wasserstoff oder Erdgas) und Umgebungsluft in einer Strömungsrichtung 10 durchströmbar ist (im regulären Betrieb), wobei dieser Brenngasluft-Gemischweg 18 in einem Gasbrenner 7 mündet bzw. endet. Der Brenngasluft-Gemischweg 18 kann aus zwei Leitungsanschlüssen be- bzw. entstehen, einem Leitungsanschluss für Brenngas mit einem Stellelement 17 (Ventil) zur dosierten, geregelten Zugabe von Brenngas in einen Strom Umgebungsluft, welche mit einem Fördergerät 16 (Gebläse) über einen Verbrennungsluftweg 15 zugegeben werden kann. Das Brenngasluft-Gemisch bzw. Gasgemisch tritt durch den Gasbrenner 7 hindurch und kann außerhalb mittels einer Zündeinrichtung 19 gezündet werden. Die dabei entstehenden Flammen 14 sind normalerweise außerhalb des Gasbrenners 7 in einem Brennraum angeordnet, wodurch z. B. ein außenliegender, mit einem Heizwasser durchströmter Wärmetauscher 13 erhitzt werden kann. Damit ist der reguläre Betrieb beschrieben.
  • Im Fall eines (unerwünschten) Flammenrückschlages, wenn also eine Flammenbildung im inneren Bereich bzw. im Brennerraum 6 des Gasbrenners 7 auftritt, sorgt eine Gasbrenneranordnung 1 mit einer (einzelnen) Flammensperre 2 dafür, dass die Flammenfront dort aufgehalten oder gelöscht wird.
  • Fig. 2 zeigt eine (zylindrische) Gasbrenneranordnung 1 schematisch und im Längsschnitt, welche eine (zylindrische) Flammensperre 2 aufweist. Links in Fig. 2 und veranschaulicht durch den Pfeil strömt das Brenngasluft-Gemisch über den Einlass 3 in den Brennerraum 6 bzw. die Flammensperre 2 ein. Der Gasbrenner 7 kann mit einem Flansch 20 ausgeführt sein, wobei dort, ggf. auch über einen Kragen, die Flammensperre 2 ausgerichtet montierbar ist. So kann vorgesehen sein, dass die Brennerwand 9 des Gasbrenners 7 und die Flammensperre 2 zumindest teilweise koaxial um eine zentrale Achse 4 ausgebildet sind. Die Strömungsrichtung 10 des Brenngasluft-Gemisches entspricht im Bereich des Einlasses 3 etwa dem Verlauf der Achse 4. Weiter bildet die Flammensperre 2 (radial und umlaufend) einen (großflächigen) Austritt 5 auf, der ein Ausströmen des Brenngasluft-Gemisches schräg bzw. hier senkrecht zu dieser Achse 4 gewährleistet.
  • Es ist zudem veranschaulicht, dass die Flammensperre 2 in dem Brennerraum 6 des Gasbrenners 7 eingesetzt bzw. von diesem vollständig aufgenommen ist. Hierbei ist anzumerken, dass der Gasbrenner 7 in Richtung der Achse 4 eine deutlich größere Länge hat als die Erstreckung der Flammensperre 2 in dieser Richtung. Daher wurde ein Verschlusselement 21 bei dem Gasbrenner 7 vorgesehen, das sich in den Brennerraum 6 hinein erstreckt, um das Volumen zwischen Brennerwand 9 und Flammensperre 2 zu reduzieren.
  • Die Flammensperre 2 und der Gasbrenner 7 sind so gestaltet, dass eine Flächenlast im Betrieb im Bereich von 1,8 bis 3,0 W/mm2 liegt. Zu diesem Zweck können insbesondere die räumlichen Abmessungen und/oder die Lage der beiden Komponenten zueinander entsprechend eingerichtet bzw. abgestimmt sein.
  • Fig. 3 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines (zylindrischen) Gasbrenners im Längsschnitt. Da dieselben Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen sind, kann vollumfänglich auf die vorstehenden Erläuterungen verwiesen werden.
  • Abweichend zu Fig. 2 ist hier ein ebenes, plattenförmiges Abschlusselement 21 (Deckel) vorgesehen, an dem die Mantelfläche der Flammensperre 2 befestigt ist. Bei dem Gasbrenner 2 ist die Flammensperre 2 integriert ist, d.h. die Flammensperre 2 ist untrennbar mit dem Gasbrenner 2 verbunden. Deckel und Flansch des Gasbrenner 2 bieten bei diesem Beispiel auch die Befestigungsflächen für die Flammensperre 2. Damit ist die Flammensperre 2 über die gesamte axiale Länge des Gasbrenners 2 ausgebildet. Hierbei ist weiter vorgesehen, dass diese beiden Bauteile zueinander einen gleichbleibend (kleinen) Abstand 11 zueinander ausbilden, so dass ein Brennvolumen 12 (klein) voreingestellt ist.
  • Mit den hier vorgeschlagenen Lösungen können die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise gelindert werden. Insbesondere wurde eine Flammensperre angegeben, deren Aufbau an verschiedene Betriebs- bzw. Umgebungsbedingungen bei Gasbrennern bzw. Gasheizgeräten einfach, flexibel und kosteneffizient anpassbar ist. Weiter wurde ein Gasheizgerät aufgezeigt, bei dem mechanische und/oder thermische Belastungen aufgrund von Flammenrückschlägen vermindert oder vermieden werden können.

Claims (8)

  1. Gasbrenneranordnung (1), umfassend zumindest einen Gasbrenner (7) und eine Flammensperre (2), gebildet mit einem Einlass (3) entlang einer Achse (4) und einem Austritt (5) schräg zu dieser Achse (4), wobei die zumindest eine Flammensperre (2) in einem Brennerraum (6) des Gasbrenners (7) eines Gasheizgerätes (8) einsetzbar ist wobei Flammensperre (2) und Gasbrenner (7) so gestaltet sind, dass eine Flächenlast im Betrieb im Bereich von 1,5 bis 7,0 W/mm2 liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Flammensperre (2) eine Porosität größer 35 % aufweist.
  2. Gasbrenneranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenlast im Betrieb im Bereich von 1,8 bis 3,0 W/mm2 liegt.
  3. Gasbrenneranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität eine Volumenporosität der Flammensperre (2) ist.
  4. Gasbrenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Austritt (5) der Flammensperre (2) senkrecht zur Achse (4) beabstandet von einer Brennerwand (9) des Gasbrenners (7) anordenbar ist.
  5. Gasbrenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung (10) des Gases ein Abstand (11) von dem Austritt (5) der Flammensperre (2) und einer Brennerwand (9) des Gasbrenners (7) im Bereich von 3 bis 20 mm liegt.
  6. Gasbrenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennvolumen (12) im Brennerraum (6) zwischen der zumindest einen Flammensperre (2) und einer Brennerwand (9) des Gasbrenners (7) maximal 70 % des Brennerraums (6) beträgt.
  7. Gasheizgerät (8) mit einem vorgegebenen Leistungsbereich, der im Bereich von 10 bis 200 kW liegt, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Gasbrenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
  8. Verwendung einer Gasbrenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verhinderung oder Löschung von Flammenrückschlägen bei der Verbrennung von wasserstoffhaltigen Gasen.
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