DE19629966A1

DE19629966A1 - Verfahren zur Regelung des Primärluftanteils eines atmosphärischen Gasbrenners und Vorrichtung zur Durchfühurng des Verfahrens

Info

Publication number: DE19629966A1
Application number: DE1996129966
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Scharr; Bernhard Seyer; Petra Nitschke-Kowsky; Heiner Hueppelshaeuser
Original assignee: Ruhrgas AG
Current assignee: EOn Metering GmbH
Priority date: 1996-07-25
Filing date: 1996-07-25
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2016-07-26
Also published as: DE19629966C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zur Regelung des Primärluftanteils eines atmosphärischen Gasbrenners, und andererseits eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei atmosphärischen Gasbrennern erfolgt die Beimischung von Primärluft durch Injektionswirkung der Brenngasströmung. In Abhängigkeit von verschiedenen Parametern, wie beispielsweise vom Durchmesserverhältnis von Gasdüse zu Injektor, von den Druckverhältnissen oder den Strömungswiderständen wird dabei ein bestimmter Volumenstrom an Primärluft angesaugt.

Brenner neuerer Bauart, insbesondere emissionsarme Brenner, reagieren sehr empfindlich auf eine Änderung der Gasbeschaffenheit. Da eine gleichbleibende Gasbeschaffenheit nicht immer gewährleistet werden kann, besteht die Forderung, daß auch bei sich ändernder Gasbeschaffenheit ein sicherer Betrieb des Gasbrenners, beispielsweise hinsichtlich Schadstoffemissionen oder Vermeidung von Abheben und Erlöschen der Flammen, gewährleistet ist. Im Stand der Technik sind dazu verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Beeinflussung des Primärluftstromes von atmosphärischen Gasbrennern bekannt. Mit der DE 43 31 231 A1 wird beispielsweise eine Vorrichtung zur Regulierung der Flammengüte eines atmosphärischen Gasbrenners bereitgestellt, bei der in Abhängigkeit der im Flammenbereich gemessenen Temperatur ein den Strömungsquerschnitt der Primärluft-Zuführöffnung verändernder Schieber bewegt wird. Damit wird die Möglichkeit geschaffen, den Primärluftmengenstrom bei einem atmosphärischen Gasbrenner der Brenngasbeschaffenheit anzupassen. In der Vorrichtung sind dazu Bimetallelemente vorgesehen, die einige Nachteile besitzen. So erfordert beispielsweise die optimale Plazierung und Auslegung der Bimetallelemente einen erhöhten Aufwand. Darüber hinaus ist die Langzeitstabilität der Bimetalle und deren gleichbleibende Eigenschaften problematisch.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein betriebssicheres Verfahren zur Regelung des Primärluftanteils eines atmosphärischen Gasbrenners bereitzustellen, mit dem eine Verbesserung der Verbrennungsstabilität eines atmosphärischen Gasbrenners bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen, insbesondere bei Änderung der Gasbeschaffenheit oder bei verschiedenen Betriebszuständen, wie beispielsweise beim Startvorgang des atmosphärischen Gasbrenners, gewährleistet wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung des Primärluftanteils eines atmosphärischen Gasbrenners, bei dem die Primärluft durch Injektorwirkung des Gasstromes in einen Mischraum eingesaugt wird, vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen und/oder dem Brennerbetriebszustand mindestens ein Nebengasstrom zusätzlich zum Gasstrom in den Mischraum eingebracht wird.

Durch die Injektorwirkung des als Hauptgasstrom verwendeten Gasstromes wird auch das Nebengas angesaugt, so daß der Anteil der Primärluft im Mischraum reduziert wird. Dadurch ist eine Aufteilung des Gasstromes gegeben, die eine relativ einfache und sichere Beeinflussung des Verbrennungsverlaufes ermöglicht. Die eingebrachte Nebengasmenge ist abhängig vom Brennerbetriebszustand, insbesondere beim Startvorgang oder unter Voll- bzw. Halblast oder dergleichen, und verschiedenen Betriebsbedingungen, wie Gasbeschaffenheit und dergleichen, oder den resultierenden Verbrennungsgrößen, wie beispielsweise der Flammentemperatur. Somit besteht zwischen der Nebengasmenge und den unterschiedlichen Betriebsbedingungen, die insbesondere über verschiedene Sensorik- und Aktorik-Elemente, beispielsweise Temperaturfühler und dergleichen erfaßt und beeinflußt werden können, eine unmittelbare Verbindung. Durch die gezielte Beeinflussung des Primärluftanteils über die Aufteilung des Gasstromes in einen Haupt- und mindestens einen Nebengasstrom wird das Start- und Brennverhalten eines atmosphärischen Gasbrenners verbessert. Der Nebengasstrom kann zusätzlich zum Hauptgasstrom zugeführt werden. Insbesondere bei Betrieb mit Erdgas mit geringem Wobbeindex, zum Beispiel L-Gas in Gebieten, die üblicherweise mit H-Gas arbeiten. Dabei wird neben einem geringfügig höheren Wirkungsgrad und geringeren CO- und CxHy-Werten ein sicherer Betrieb des Gasbrenners, insbesondere beim Starten bzw. Anlaufen des Gasbrenners gewährleistet.

Gemäß einem Vorschlag der Erfindung wird durch Regelung des Druckes die gesamte Gasmenge konstant gehalten. So kann eine Überlastung des Brenners vermieden und dennoch die Primärluftzahl abgesenkt werden.

Vorteilhafterweise kann der Nebengasstrom regelbar in den Mischraum des Gasbrenners eingedüst werden. Dazu kann beispielsweise ein Ventil verwen det werden, welches beispielsweise von einer Kontrolleinheit gesteuert wird. Vorteilhafterweise ist auch das Verhältnis von Haupt- zu Nebengasstrom regelbar. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Kontrolleinheit gleichzeitig zur Erfassung, Überwachung und Steuerung verwendet wird. Dabei können neben den unterschiedlichen Betriebsbedingungen, wie beispielsweise der Gasbeschaffenheit, den Witterungs- und Druckverhältnissen bzw. den resultierenden Verbrennungsgrößen, wie beispielsweise O₂, CxHy-, oder CO-Gehalt im Abgas, oder der Flammentemperatur oder dem Brennerbetriebszustand, wie beispielsweise Starten bzw. Anlaufen oder Abschalten des Gasbrenners, auch verschiedene individuelle Brennercharakteristika, beispielsweise Verbrauchsdaten, Betriebszeiten und dergleichen, erfaßt, aufgezeichnet und gesichert werden. Wird als Kontrolleinheit beispielsweise ein Temperatursensor verwendet, kann dieser gleichzeitig zur Flammenüberwachung genutzt werden. Damit können konventionelle Flammenüberwachungen, die üblicherweise per Ionisationsstrom arbeiten, entfallen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Steuerung oder Regelung des Primärluftanteils eines atmosphärischen Gasbrenners.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung des Primärluftanteils eines atmosphärischen Gasbrenners bereitgestellt, bestehend aus wenigstens zwei voneinander strömungstechnisch getrennten, jeweils eine Gaseinlaßöffnung und wenigstens eine Gasaustrittsöffnung aufweisen den Kammern, wobei die Gasaustrittsöffnungen im wesentlichen parallel in den Mischraum mindestens eines Gasbrenners münden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenig stens eine Gasaustrittsöffnung der Vorrichtung als Düse ausgebildet. Dadurch lassen sich beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit und die Strömungs richtung gezielt individuellen Erfordernissen, beispielsweise hinsichtlich der verwendeten Gase und Gasbeschaffenheiten anpassen. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß wenigstens eine Kammer strömungstechnisch regelbar ist. Damit wird die Möglichkeit geschaffen, den Volumenstrom dieser Kammer zu verändern. Die Veränderung kann dabei in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsbedingungen erfolgen, beispielsweise können über verschiedene Sensorik- bzw. Aktorik-Elemente verschiedene Größen erfaßt und gesteuert werden, wie beispielsweise die Gasbeschaffenheit über einen geeigneten Sensor oder die Luftzahl direkt über einen geeigneten Sensor oder indirekt über Temperaturfühler zur Erfassung der Flammentemperatur. Zum strömungstechnischen Regeln kann ein Stellelement verwendet werden, beispielsweise ein Ventil.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß eine ringförmig ausgebildete Kammer eine rohrförmig ausgebildete Kammer im we sentlichen koaxial umgreift. Gemäß einem Vorschlag der Erfindung ist die rohrförmig ausgebildete Kammer mit einer als Düse ausgebildeten Gasaustrittskammer versehen, und wird zur strömungstechnischen Führung eines Hauptgases verwendet. Dabei ist es auch möglich, daß nur ein Teil dieser Kammer rohrförmig ausgebildet ist, welcher von einer umgreifenden, ringförmig ausgebildeten Kammer umgeben ist. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die ringförmig ausgebildete Kammer in strömungstechnisch voneinander getrennte Segmente unterteilt, die jeweils eine Gaseinlaßöffnung und wenigstens eine Gasaustrittsöffnung aufweisen. Damit liegt eine überaus kompakte und relativ leicht fertigbare Vorrichtung vor, die durch die zahlreichen Anordnungs- und Ausgestaltungsmöglichkeiten der Gasaustrittsöffnungen und der Verschaltungsmöglichkeiten der unterschiedlichen Kammern die Steuerung oder Regelung des Primärluftanteils eines atmosphärischen Gasbrenners zur Beeinflussung der Verbrennung, insbesondere hinsichtlich Verbrennungsge schwindigkeit, Temperaturverlauf und Flammenvolumen, in weiten Bereichen ermöglicht.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine geschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine schematische Vorderansicht gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 ein weiteres, teilweise geschnitten dargestelltes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt eine geschnittene Ansicht einer Vorrichtung zur Regelung des Primärluftanteils eines atmosphärischen Gasbrenners. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Düsenanordnung 1, bestehend aus einer Kammer 2, die sich in einem Gehäuse 2a befindet, und einer Kammer 5, die sich in einem Gehäuse 5a befindet. Die mit einem Gaseinlaß 3 und einem Gasaustritt 4 versehene Kammer 2 ist hier beispielhaft rohrförmig ausgebildet. Der Bereich der Gasaustrittsöffnung 4 ist konisch zur Mündung hin verengend ausgebildet. Damit bildet der Gasaustritt 4 eine Düse. Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte, ringförmig ausgebildete Kammer 5 weist eine Gaseinlaßöffnung 6 und mehrere Gasaustrittsöffnungen 7 auf. Wie in Fig. 2 dargestellt, sind die Gasaustrittsöffnungen 7 gleichmäßig auf dem gestrichelt dargestellten Kreis 13 verteilt. Im Bereich der Gaseinlaßöffnung 6 ist die ringförmige Kammer 5 mit einem rohrförmig ausgebildeten Anschluß 8 versehen. Wie in Fig. 1 zu erkennen, ist die Kammer 2 die Kammer 5 koaxial durchragend mit dieser verbunden. Dazu sind die Kammer 2 und die Kammer 5 im Bereich der Gasaustrittsöffnungen 4 und 7 mit einem miteinander korrespondierenden Verbindungselement 14, bei dem hier dargestellten Aus führungsbeispiel ein Schraubengewinde, versehen. Andere Verbindungsele mente 14, beispielsweise eine stoffschlüssige Schweiß-, Löt- oder Klebever bindung sind ebenso möglich. Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist gegenüberliegend den Gasaustrittsöffnungen 7 der ringförmigen Kammer 5 ein Verschlußring 10 angeordnet. Beim Verschrauben der Kammer 5 mit der Kammer 2 wird zwischen dem Verschlußring 10 und einem an der Kammer 2 ausgebildeten Flanschring 15 eine Dichtung 9 eingeklemmt. Damit ist die Kammer 5 abgedichtet und eine strömungstechnische Trennung zwischen Kammer 2 und Kammer 5 hergestellt.

Zur Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei spielsweise durch die Gaseinlaßöffnung 3 des rohrförmigen, eine Düse bilden den Gehäuses 2a, das an eine hier nicht dargestellte Erdgasleitung angeschlossen ist, ein Hauptgas 11 in den Mischraum eines, in Form eines Venturirohres ausgestalteten, hier nicht dargestellten atmosphärischen Gasbrenners eingedüst. Von der hier nicht dargestellten Erdgasleitung geht eine hier ebenfalls nicht dargestellte Zweigleitung ab, die an den rohrförmigen Anschluß 8 der Kammer 5 angeschlossen ist. In Abhängigkeit verschiedener Betriebsbedingungen wird ein nicht dargestelltes Ventil in der Zweigleitung geöffnet bzw. geschlossen, und so über den rohrförmigen Anschluß 8 ein Nebengas 12 in die Kammer 5 eingebracht, welches über die ebenfalls als Düsen ausgebildeten Gasaustrittsöffnungen 7 in den Mischraum eingedüst wird. Dadurch wird in Abhängigkeit von der in den Mischraum eingedüsten Nebengasmenge 12 der Primärluftanteil des atmosphärischen Gasbrenners verändert. In Abhängigkeit von den verschiedenen Brennerbetriebszuständen, beispielsweise dem Startvorgang, aber auch in Abhängigkeit verschiedener anderer Größen, wie beispielsweise Gasbeschaffenheit oder Gastemperatur, läßt sich über die Nebengasmenge die Verbrennung entscheidend beeinflussen. Das Zuschalten des Nebengasstromes durch die durch die Kammer 5 gebildeten Nebendüsen kann während des Brennerbetriebes beispielsweise in Abhängigkeit einer Temperaturmessung in der Flammenzone erfolgen. Kommt es aufgrund eines zu großen Primärluftanteils zu einem Abheben der Flammen, was insbesondere zum Erlöschen des Gasbrenners führen kann, wird eine geringere Temperatur gemessen. Durch die gemessene geringere Temperatur wird eine Nebengasmenge durch die Nebendüsen 7 in den Mischraum eingedüst, so daß der Primärluftanteil abgesenkt wird.

Das in Fig. 3 teilweise geschnitten dargestellte Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt einen Düsenstock 16, der zwei durch eine Trennwand 19 voneinander getrennte Kammern 17 und 18 für ein Hauptgas 11 und ein Nebengas 12 aufweist. In der Trennwand 19 und einer die Kammer 18 bildenden Wandung 20 des Düsenstocks 16 sind jeweils koaxial hintereinander angeordnete Öffnungen 21 und 22 zur Aufnahme einer Düsenanordnung 23 ausgebildet. Die Düsenanordnung 23 ist hier beispielhaft aus einem Rohr 24 mit einer angeformten, das Rohr 24 ringförmig umgebenden Scheibe 25 gebildet. Das Rohr 24 der Düsenanordnung 23 ist an einem Ende in bzw. an der Öffnung 21 der Trennwand 19 befestigt, so daß die Kammer 17 von der Kammer 18 strömungstechnisch getrennt ist. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen dazu das Rohr 24 der Düsenanordnung 23 und die Öffnung 21 der Trennwand 19 ein miteinander korrespondierendes Verbindungselement 14, in diesem Fall ein Schraubengewinde, auf. Das Rohr 24 der Düsenanordnung 23 ist am gegenüberliegenden Ende sich konisch verjüngend und damit eine Düse bildend ausgeformt. Die Öffnung 22 in der Wandung 20 des Düsenstocks 16 nimmt die an dem Rohr 24 der Düsenanordnung 23 angeformte ringförmige Scheibe 25 auf. Die ringförmige Scheibe 25 ist fest mit dem Rohr 24 verbunden. Ebenso ist es möglich, daß die Scheibe 25 und das Rohr 24 einteilig ausgebildet werden. Die Scheibe 25 ist mit mehreren Öffnungen 26 versehen, die ähnlich den Gasaustrittsöffnungen 7 des Ausführungsbeispiels gemäß der Fig. 1 bzw. 2 das Rohr 24 umgeben. Beim Verschrauben der Düsenanordnung 23 mit der Trennwand 19 wird hier beispielhaft zwischen der ringförmigen Scheibe 25 und der Öffnung 22 eine ringförmige Dichtung 27 eingeklemmt, um die Kammer 18 im Bereich zwischen der Öffnung 22 und der ringförmigen Scheibe 25 strömungstechnisch abzudichten. In einem weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind die ringförmige Scheibe 25 und die Öffnung 22 ebenfalls mit einem miteinander korrespondierenden Verbindungselement, beispielsweise einem Schraubengewinde, versehen, das auch ohne entsprechende Dichtungen eine strömungstechnische Abdichtung der Kammer 18 bereitstellen kann. Wie in Fig. 3 dargestellt, ragt das Rohr 24 der Düsenanordnung 23 aus dem Düsenstock 16 heraus in den hier nicht weiter dargestellten Mischraum des atmosphärischen Gasbrenners hinein. Vorteilhafterweise weist der Düsenstock 16 senkrecht zur Zeichenebene in der Trennwand 19 und der Wandung 20 mehrere Öffnungen 21 bzw. 22 zur Aufnahme entsprechender Düsenanordnungen 23 auf, die auf einfache Art und Weise an- bzw. eingeschraubt werden können. Die Düsenanordnungen 23 können dann auf einfache Art und Weise ausgetauscht werden. Ein wesentlicher Vorteil bei einer Ausgestaltung gemäß Fig. 3 ist darin zu sehen, daß jeweils nur ein Anschluß 28 bzw. 29 für eine entsprechende Hauptgasleitung 30 bzw. Nebengasleitung 31 benötigt wird. An den Düsenstock 16 bzw. den Kammern 17 und 18 können daher mit weniger Anschlüssen, im vorliegenden Fall mit den Anschlüssen 28 bzw. 29 nahezu beliebig viele Düsenanordnungen 23 mit einem entsprechenden Hauptgas 11 bzw. Nebengas 12 versorgt und somit die Kosten für derartige Anschlüsse aufgrund der geringeren Anzahl reduziert werden.

Vorteilhafterweise kann die einzudüsende Nebengasmenge von einer die verschiedenen Betriebsbedingungen und -parameter erfassenden bzw. überwachenden Kontrolleinheit schaltbar gesteuert werden. Dadurch wird insbesondere beim Starten des Gasbrenners, beispielsweise durch eine feste Aufteilung der verschiedenen Gasteilströme, ein sicherer Start des Gas brenners ermöglicht. Darüber hinaus kann bei die Betriebssicherheit des Gasbrenners gefährdenden Störungen, zum Beispiel einem erhöhten Kaminzug, durch eine Änderung des Volumenstromverhältnisses von Haupt- und Nebengasmenge die Luftzahl im optimalen Bereich nachgeregelt werden. Damit ist unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen eine Verbesserung des Start- und Brennverhaltens eines atmosphärischen Gasbrenners gewährleistet, was insbesondere einen sicheren Start gewährleistet und durch gezielte Regelung des Verbrennungsverlaufes den Wirkungsgrad eines atmosphärischen Gasbrenners verbessert und gleichzeitig die Schadstoffemission erheblich reduziert.

Bezugszeichenliste

1 Düsenanordnung
2 Kammer
2a Gehäuse
3 Gaseinlaßöffnung
4 Gasaustrittsöffnung
5 Kammer
5a Gehäuse
6 Gaseinlaßöffnung
7 Gasaustrittsöffnung
8 Anschluß
9 Dichtung
10 Verschlußring
11 Hauptgas
12 Nebengas
13 Kreis
14 Verbindungselement
15 Flanschring
16 Düsenstock
17 Kammer
18 Kammer
19 Trennwand
20 Wandung
21 Öffnung
22 Öffnung
23 Düsenanordnung
24 Rohr
25 Scheibe
26 Öffnung
27 Dichtung
28 Anschluß
29 Anschluß
30 Gasleitung
31 Gasleitung

Claims

1. Verfahren zur Steuerung oder Regelung des Primärluftanteils eines atmosphärischen Gasbrenners, bei dem die Primärluft durch Injektorwirkung des Gasstromes in einen Mischraum eingesaugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen und/oder dem Brennerbetriebszustand mindestens ein Nebengasstrom zusätzlich zum Gasstrom in den Mischraum eingebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Regelung des Druckes die Gasmenge konstant gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebengasstrom regelbar in den Mischraum des Gasbrenners eingedüst wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Haupt- zu Nebengasstrom regelbar ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Einbringen eines Nebengasstromes von einer Kontroll einheit überwacht und/oder gesteuert und/oder erfaßt wird.

6. Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung des Primärluftanteils eines atmosphärischen Gasbrenners, bei dem die Primärluft durch Injektorwirkung des Gasstromes in einen Mischraum eingesaugt wird, bestehend aus wenigstens zwei voneinander strömungstechnisch getrennten, jeweils eine Gaseinlaßöffnung (3, 6) und wenigstens eine Gasaustrittsöffnung (4, 7) aufweisenden Kammern (2, 5), wobei die Gasaustrittsöffnungen (4, 7) im wesentlichen parallel in den Mischraum mindestens eines Gasbrenners münden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Gasaustrittsöffnung (4, 7) als Düse ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Kammer (2, 5) strömungstechnisch regelbar ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß eine ringförmig ausgebildete Kammer (5) eine rohrförmig ausgebildete Kammer (2) im wesentlichen koaxial umgreift.