Die Erfindung betrifft einen Gasgebläsebrenner mit modulierbarer Brennerleistung für ein Gasheizgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, ein Verfahren zum Betreiben eines Gasgebläsebrenners nach den Oberbegriffen des Patentanspruchs 8 sowie ein Gasheizgerät nach Patentanspruch 11.

Gasgebläsebrenner mit modulierbarer Brennerleistung (Feuerungsleistung) sind allgemein bekannt. Sie dienen in der Regel der Erwärmung eines Heizfluides wie z.B. Heizungswasser oder Trinkwasser in einem Gasheizgerät. Dabei werden dem Brenner über einen Luftweg Verbrennungsluft und über einen Gasweg Brenngas zugeführt. Die zur Erwärmung eines Heizfluidstroms erforderliche Luftmenge wird entsprechend der vorgebbaren Brennerleistung bzw. der vorgebbaren Heizfluidtemperatur mittels eines drehzahlvariablen Luftgebläses im Luftweg gefördert. Die dieser Luftmenge entsprechende Gasmenge wird mit Hilfe eines Gasventils im Gasweg dosiert. Luft und Brenngas mischen sich zu einem Brenngas-Luft-Gemisch. Zur vollständigen und schadstoffarmen Verbrennung des Brenngases ist neben anderen Faktoren eine bestimmte SOLL-Zusammensetzung des Brenngas-Luft-Gemischs nötig. Angestrebt wird ein Luftüberschuss (Luftzahl) λ_SOLL ≈ 1,3 gegenüber dem zur vollständigen Oxidation des Brennstoffs erforderlichen stöchiometrischen Mindestluftbedarf. Ein sogenannter pneumatischer Gasluftverbund bewirkt diese Gemischzusammensetzung. Ein im Luftweg angeordneter Luftmengenmesser misst die Menge der geförderten Verbrennungsluftmenge und gibt ein Stellsignal an das Gasventil, das eine der SOLL-Zusammensetzung des Brenngas-Luft-Gemischs entsprechende Brenngasmenge freigibt.

In einer Gemischbildungsstrecke (Mischraum) mischen sich Verbrennungsluft und Brenngas, ein Verteilraum dient der etwa gleichmäßigen Verteilung der Brenngas-Luft-Gemischmenge auf den Austrittsquerschnitt. Das Brenngas-Luft-Gemisch tritt durch eine Brennerfläche, die die Funktion eines Flammhalters hat, in einen Brennraum aus, wird hier mittels einer Zündvorrichtung gezündet und verbrennt unter Freisetzung von Wärme. Die Verbrennungswärme wird in einem Wärmetauscher auf das Heizfluid übertragen und dieses der Nutzung zugeführt.

Für die Luftmengenmessung im pneumatischen Gasluftverbund wird wegen des geringen Druckverlusts in der Regel eine Venturidüse verwendet. Gemessen wird die dem Luftvolumenstrom proportionale Druckdifferenz zwischen Eingangsquerschnitt und engstem Düsenquerschnitt der Venturidüse, die als Stellsignal auf ein pneumatisches Gasregelventil geht. Zwischen der Durchsatzvariation und dem Differenzdrucksignal besteht ein quadratischer Zusammenhang. Bekannte Vorrichtungen zum Mischen von Brenngas und Luft der vorgenannten Art sind in der Lage, Durchsatzvariationen in einem Bereich von etwa 1 : 5 (entsprechend einer Druckvariation von etwa 1 : 25) zu realisieren, da der zur Verfügung stehende Druckbereich einerseits durch das Gebläse und andererseits durch den erforderlichen minimalen Ansprechdruck des pneumatischen Regelventils begrenzt wird. Mit der Beschränkung des Durchsatzvariationsbereichs geht eine ebensolche Beschränkung des Brennerleistungsbereichs eines Brenners sowie des Heizleistungsmodulationsbereichs eines Gasheizgerätes einher.

Moderne Gasheizgeräte mit entsprechend modernen Gasgebläsebrennern weisen gegenüber früher üblichen Brennern eine vergleichsweise niedrige Luftzahl von λ ≈ 1,3 auf. Beispielsweise offenbart die WO2006019279 A1 einen Gasgebläsebrenner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Wasserdampftaupunkttemperatur eines Abgases hängt von der Luftzahl der Verbrennung ab: Mit sinkender Luftzahl steigt die Taupunkttemperatur. Daraus ergibt sich ein mögliches Problem beim Betrieb moderner Gasheizgeräte, nämlich die Kondensation von im Abgas enthaltener Feuchtigkeit an den kühlen Brennraumwänden und den kühlen Oberflächen von Wärmetauscher und Abgasleitung. Diese Kondensation ist nur bei Brennwertgeräten zulässig (und erwünscht), da die Bauteile daraufhin ausgelegt sind. Bei herkömmlichen Heizwertgeräten muss die Kondensation vermieden werden, ansonsten könnten von der Feuchtigkeit betroffene Bauteile korrodieren und ausfallen. Begünstigt wird eine Kondensationsneigung auch von der Geräteheizleistung bzw. -temperatur. Auf Oberflächen hoher Temperatur (hohe Heizleistung) schlägt sich entweder keine Feuchtigkeit nieder oder sie kann schnell wieder abtrocknen. Bei niedrigen Oberflächentemperaturen (geringe Heizleistung) wird die Taupunkttemperatur eher unterschritten und es kommt zum Niederschlag von Feuchtigkeit.

Ein anderes potentielles Problem beim Heizgerätebetrieb sind sogenannte thermoakustische Resonanzen, die zu starker Lärmbelästigung und, durch die einhergehenden mechanischen Schwingungen, auch zu Bauteilversagen führen können. Oft treten die Resonanzerscheinungen gerade bei geringen relativen Brennerleistungen und geringen Brennkammdrücken auf.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass eine Vergrößerung des Heizleistungsbereichs eines Gasheizgerätes bzw. eine Vergrößerung des Brennerleistungsbereich eines Brenners wünschenswert ist, um ganz verschiedene Heizbedarfe bedienen zu können, wie sie beispielsweise durch einen Trinkwarmwasser-Zapfvorgang zum Händewaschen, durch einen Zapfvorgang zum Einlassen eines Wannenbades oder durch ein Beheizen einer Wohnung entstehen. Dennoch müssen auch bei den verschiedenen möglichen Betriebspunkten die Wasserdampfkondensation aus dem Abgas sowie thermoakustische Resonanzerscheinungen vermieden werden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Gasgebläsebrenner mit einem erweiterten Brennerleistungsbereich sowie ein Verfahren zu seinem Betrieb zu schaffen, die die Wasserdampfkondensation an Abgasberührten Bauteilen sowie thermoakustische Resonanzerscheinungen vermeiden helfen. Der Brenner soll dabei einen möglichst einfachen und kompakten Aufbau aufweisen.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Der erfindungsgemäße Gasgebläsebrenner mit modulierbarer Brennerleistung für ein Gasheizgerät mit mindestens einem Luftweg zur gebläseunterstützten Zuführung einer Verbrennungsluft, mindestens einem Gasweg zur Zuführung eines Brenngases, einem Gasventil zur Mengenregulierung des Brenngases, mindestens einer Brennerfläche als Flammhalter und mindestens einem stromaufwärts der Brennerfläche angeordneten Verteilraum, in den die Verbrennungsluft und das Brenngas oder ein Brenngas-Luft-Gemisch münden, wobei die Brennerfläche und der Verteilraum sich in mindestens zwei Bereiche gliedern, wobei ein erster Brennerflächenbereich einem ersten Verteilraumbereich zugeordnet ist und ein zweiter Brennerflächenbereich einem zweiten Verteilraumbereich zugeordnet ist, und wobei der Gasweg an einer Verzweigung stromabwärts des Gasventils und stromaufwärts des Verteilraums sich in mindestens zwei Teilgaswege aufteilt, die jeweils mit einem zugeordneten Bereich des Verteilraums in Verbindung stehen. Dabei ist der Verteilraum mittels einer oder mehrerer mindestens teilweise durchlässiger Zwischenwände in mindestens zwei Bereiche gegliedert. Mit dieser Gestaltung weist der Brenner nun eine zwei- oder mehrfach geteilte Brennerfläche auf, die über die mindestens zwei Teilgaswege und die mindestens zwei Verteilraumbereiche mittels eines einzigen Gasventils mit Brenngas versorgbar sind. Ein Überströmen von Verbrennungsluft oder Brenngas-Luft-Gemisch von einem Verteilraumbereich in einen benachbarten Verteilraumbereich ist möglich. Diese Durchlässigkeit kann in nur einer Strömungsrichtung gegeben sein, während eine Rückströmung gesperrt ist, oder die Durchlässigkeit kann in beiden Richtungen gegeben sein.

Eine geeignete Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verzweigung im Gasweg von einem schaltbaren Zweiwegeventil oder Mehrwegeventil beherrscht ist. Damit kann die Brenngasversorgung der Brennerflächenbereiche mittels eines Schaltvorgangs verändert werden. Beispielsweise kann jeder Brennerflächenbereich einzeln angesteuert und mit Brenngas versorgt werden, oder es können mehrere Brennerflächenbereiche gleichzeitig versorgt werden.

Eine weitere Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erster Teilgasweg in direkter Verbindung mit einem zugeordneten ersten Bereich des Verteilraums steht, und dass mindestens ein zweiter Teilgasweg in indirekter Verbindung mit einem zugeordneten zweiten Bereich des Verteilraums steht, wobei dieser zweite Teilgasweg in einen mit dem Verteilraum verbundenen Luftweg mündet.

Eine geeignete Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Teilgaswege jeweils getrennt vorgebbare Strömungswiderstände aufweisen. Dies lässt sich z.B. durch unterschiedliche Weglängen, Leitungsdurchmesser sowie fixe oder einstellbare Drosselquerschnitte erreichen. Damit wird erreicht, dass mit Hilfe eines einzigen Gasregelventils und trotz gleicher Stellsignalbereiche seitens des Luftmengenmessers über die verschiedenen Teilgaswege unterschiedlich große Brenngasmengen dosierbar sind.

Eine Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, dass im Luftweg ein Gebläse angeordnet ist, wobei der Luftweg stromabwärts in mindestens einen Bereich des Verteilraums mündet.

Die Brennerfläche kann als perforierte Fläche ausgebildet sein, beispielsweise als Lochblech oder Drahtgeflecht. Die Perforation kann über die verschiedenen Bereiche der Brennerfläche gleich oder mindestens teilweise verschieden ausgebildet sein. Durch wechselnde Lochgrößen, Lochformen, Lochabstände, Geflechtporengrößen, Geflechtdichten usw. in der Brennerfläche lassen sich unterschiedliche Strömungswiderstände realisieren.

Eine geeignete Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Brennerfläche im Verteilraum mindestens eine perforierte Verteilerplatte angeordnet ist, die sich entsprechend der Gliederung des Verteilraums in mindestens zwei Bereiche gliedert, und dass die Perforationen der Bereiche der Verteilerplatte mindestens teilweise verschieden ausgebildet sind. Die Verteilerplatte verbessert in bekannter Weise die gleichmäßige Verteilung eines Verbrennungsluftstroms oder eines Brenngas-Luft-Gemischstroms auf die Brennerfläche bzw. die Brennerflächenbereiche. Durch die unterschiedliche Perforation der Verteilerplattenbereiche lassen sich unterschiedliche Strömungswiderstände realisieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Gasgebläsebrenners mit modulierbarer Brennerleistung, wobei ein Brenngas bei Betrieb in einem ersten Brennerleistungsbereich, beispielsweise einem niedrigen Brennerleistungsbereich, direkt zu einem ersten Bereich einer als Flammhalter fungierenden Brennerfläche strömt, sich hier mit Verbrennungsluft zu einem Brenngas-Luft-Gemisch vermischt und sodann der Verbrennung zugeführt wird, und bei Betrieb in einem zweiten Brennerleistungsbereich, beispielsweise einem hohen Brennerleistungsbereich, das Brenngas über einen Luft führenden Luftweg zu einer Gemischbildungsstrecke (Mischraum) strömt, von wo es als Brenngas-Luft-Gemisch weiter zu einem zweiten Bereich der Brennerfläche strömt und sodann der Verbrennung zugeführt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Betreiben eines Gasgebläsebrenners im Bereich niedriger Brennerleistung die vom Gebläse angesaugte Verbrennungsluft in einen zweiten Bereich des Verteilraums gefördert wird und von dort

• teilweise durch die dem zweiten Bereich des Verteilraums zugeordnete Brennerfläche in den Brennraum ausströmt, wobei dieser Teil der Verbrennungsluft als Sekundärluft im Wesentlichen nicht an der Verbrennung teilnimmt, und
• teilweise durch durchlässige Zwischenwände, die den Verteilraum in Bereiche untergliedern, in einen ersten Bereich des Verteilraums überströmt, sich hier als Primärluft mit dem Brenngas mischt, als Brenngas-Luft-Gemisch durch die dem ersten Bereich des Verteilraums zugeordnete Brennerfläche in den Brennraum ausströmt und der Verbrennung zugeführt wird.

Mit dieser Erfindung kann das Brenngas zwei verschiedenen Brennerflächenbereichen zugeleitet werden und damit einen niedrigen und einen hohen Brennerleistungsbereich abdecken.

Das Brenngas-Luft-Gemisch im ersten Verteilraumbereich ist so beschaffen, dass sich eine Luftzahl von λ ≈ 1,3 ergibt. Das garantiert eine vollständige und schadstoffarme Verbrennung an dem ersten Brennerflächenbereich. Durch den zweiten Brennerflächenbereich strömt Sekundärluft aus, die sich mit dem Abgas aus der Verbrennung mischt und die resultierende Luftzahl im Abgas auf beispielsweise λ = 1,5 anhebt. Dadurch wird die Taupunkttemperatur gesenkt und die Kondensationsneigung reduziert. Die Oberflächen von Brennkammer, Wärmetauscher und Abgassystem bleiben trocken, woduch Korrosionsschäden vermieden werden. Die einströmende Sekundärluft erhöht auch den Gegendruck in der Brennkammer, wodurch die Anfälligkeit des Systems gegenüber thermoaktustischen Resonanzerscheinungen stark gemindert wird.

Bei einer konkreten Ausgestaltung des Verfahrens zum Betreiben eines Gasgebläsebrenners im Bereich hoher Brennerleistung wird das Brenngas-Luft-Gemisch, das sich im Luftweg und einer Gemischbildungsstrecke (Mischraum) aus Brenngas und Verbrennungsluft gebildet hat, in einen zweiten Bereich des Verteilraums gefördert und strömt von dort

• teilweise durch die dem zweiten Bereich des Verteilraums zugeordnete Brennerfläche in den Brennraum aus und
• teilweise durch durchlässige Zwischenwände, die den Verteilraum in Bereiche untergliedern, in den ersten Bereich des Verteilraums über und strömt durch die dem ersten Bereich des Verteilraums zugeordnete Brennerfläche in den Brennraum aus.

Im Brennraum werden beide Teilgemischströme gezündet und verbrannt.

Eine geeignete Ausführung des Verfahrens zum Betreiben eines Gasgebläsebrenners mit modulierbarer Brennerleistung ist in Anspruch 10 definiert.

Der niedrige Brennerleistungsbereich deckt beispielsweise den Bereich zwischen 4 % und 20 % der Brenner-Nennleistung ab, der hohe Brennerleistungsbereich deckt den Bereich zwischen 20 % und 100 % der Brenner-Nennleistung ab. Das Vorgehen zur Gemischbildung ist bei diesen beiden Brennerleistungsbereichen verschieden. Bei Betrieb im ersten Leistungsbereich strömt das Brenngas durch einen ersten Teilgasweg direkt und unvermischt zu einem ersten Verteilraumbereich, gleichzeitig strömt dem Verteilraum auch Verbrennungsluft zu. Im ersten Verteilraumbereich vermischen sich Brenngas und Verbrennungsluft zu einem Brenngas-Luft-Gemisch. Dieses tritt durch die dem ersten Verteilraumbereich zugeordnete Brennerfläche aus, wird gezündet und verbrannt. Bei Betrieb im zweiten Leistungsbereich strömt das Brenngas durch einen zweiten Teilgasweg zum Luftweg und vermischt sich mit Verbrennungsluft zu einem Brenngas-Luft-Gemisch. Das Gemisch wird dem Verteilraum zugeführt, tritt durch die Brennerfläche aus, wird gezündet und verbrannt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen Brennerbetrieb mit erweitertem Modulationsbereich sowie reduzierter Neigung zu Wasserdampfkondensation und thermoakustischen Resonanzerscheinungen. Der erfindungsgemäße Brenner bietet einen einfachen und kompakten Aufbau, mit dem sich das Verfahren umsetzen lässt.

Die Zeichnung stellt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und zeigt in den Figuren:

Figur 1

einen Gasgebläsebrenner in Betrieb im hohen Brennerleistungsbereich und

Figur 2

einen Gasgebläsebrenner in Betrieb im niedrigen Brennerleistungsbereich.

Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Gasgebläsebrenner für ein Gasheizgerät mit einem Verbrennungslufteintritt 1, einem Luftweg 2, einem Luftmengenmesser 3, einem Gebläse 4, einem Brenngaseintritt 5, einem Gasweg 6, einem Gasventil 7, einer Gemischbildungsstrecke (Mischraum) 8, einem Verteilraum 9 und einer Brennerfläche 10. Hervorzuheben gegenüber bekannten Gasgebläsebrennern ist die Untergliederung von Verteilraum 9 und Brennerfläche 10 in jeweils zwei Bereiche 9-1 und 9-2 sowie 10-1 und 10-2, die einander entsprechend zugeordnet sind (9-1/10-1 und 9-2/10-2), wobei der Verteilraum 9 mittels einer durchlässigen Zwischenwand 11 zweigeteilt ist. Stromaufwärts der Brennerfläche 10 im Verteilraum 9 ist eine Verteilerplatte 12 vorgesehen. Hervorzuheben ist ferner die Verzweigung des Gasweges 6 in zwei Teilgaswege 6-1 und 6-2. Teilgasweg 6-1 steht mit dem Verteilraumbereich 9-1 und dem Brennerflächenbereich 10-1 in Verbindung. Teilgasweg 6-2 steht über den Luftweg 2 und die Gemischbildungsstrecke 8 mit dem Verteilraumbereich 9-2 und dem Brennerflächenbereich 10-2 in Verbindung. Dargestellt ist in Figur 1 ein Betrieb im hohen Brennerleistungsbereich, wobei die Verbrennungsluft-, Brenngas- und Gemischströme durch Pfeile veranschaulicht sind. An der Verzweigung des Gasweges 6 ist ein hier schematisch dargestelltes schaltbares Zweiwegeventil 13 angeordnet. Dieses gibt den Brenngasstrom in Richtung des Teilgasweges 6-2 frei, der andere Weg 6-1 ist gesperrt. Das Brenngas strömt in den Luftweg 2, wird zusammen mit der Verbrennungsluft vom Gebläse 4 angesaugt, mischt sich mit der Verbrennungsluft im Luftweg 2, im Gebläse 4 und in der Gemischbildungsstrecke 8 zu einem Brenngas-Luft-Gemisch. Das Gemisch tritt in den zweiten Bereich 9-2 des Verteilraums 9 ein und strömt teilweise durch die durchlässige Zwischenwand 11 weiter in den ersten Verteilraumbereich 9-1. Die durchlässige Verteilerplatte 12 vergleichmäßigt die Gemischströmung und verteilt sie auf die beiden durchlässigen Brennerflächenbereiche 10-1 und 10-2. Das Brenngas-Luft-Gemisch wird mittels einer nicht dargestellten Zündvorrichtung gezündet, bildet Flammen 14 und verbrennt unter Wärmeentwicklung. Die Wärme wird in einem stromabwärts des Brenners angeordneten, hier nicht dargestellten Wärmetauscher auf ein Heizfluid übertragen und der Nutzung zugeführt.

In Figur 2 ist ein Betrieb des Gasgebläsebrenners im niedrigen Brennerleistungsbereich dargestellt, wobei die Verbrennungsluft-, Brenngas- und Gemischströme wieder durch Pfeile veranschaulicht sind. Das Zweiwegeventil 13 gibt den Brenngasstrom in Richtung des Teilgasweges 6-1 frei, der andere Weg 6-2 ist gesperrt. Das Brenngas strömt durch den Teilgasweg 6-1 in Verteilraumbereich 9-1. Dabei dient eine Brenngas-Verteilvorrichtung 6-3 der gleichmäßigen Verteilung des Brenngases im Verteilraumbereich 9-1. Über den Lufteintritt 1 und den Luftweg 2 wird Verbrennungsluft vom Gebläse 4 angesaugt. Die Luft tritt in den zweiten Bereich 9-2 des Verteilraums 9 ein und strömt teilweise durch einen zweiten Bereich 12-2 der Verteilerplatte 12 und durch den zweiten Brennerflächenbereich 10-2 in den Brennraum. Ein anderer Teil der Verbrennungsluft strömt durch die durchlässige Zwischenwand 11 weiter in den ersten Verteilraumbereich 9-1. Hier vermischt sich die Luft mit dem Brenngas zu einem Brenngas-Luft-Gemisch, wobei die Brenngas-Verteilvorrichtung 6-3 mit Luft umspült wird, und strömt durch einen ersten Verteilerplattenbereich 12-1 und durch den ersten Brennerflächenbereich 10-1 in den Brennraum. Hier wird das Brenngas-Luft-Gemisch wiederum gezündet, bildet Flammen 14 und verbrennt unter Wärmeentwicklung. Die Wärme wird in einem stromabwärts des Brenners angeordneten, hier nicht dargestellten Wärmetauscher auf ein Heizfluid übertragen und der Nutzung zugeführt.

Der Gasgebläsebrenner kann in beiden Brennerleistungsbereichen die Brennerleistung modulieren (variieren). Der niedrige Brennerleistungsbereich deckt beispielsweise den Bereich zwischen 4 % und 20 % der Brenner-Nennleistung ab, der hohe Brennerleistungsbereich deckt den Bereich zwischen 20 % und 100 % der Brenner-Nennleistung ab. Obwohl der Brenner damit ein Modulationsverhältnis von 1 : 25 hat, müssen das Gebläse 4 und das Gasregelventil 7 dazu aber nur im Verhältnis 1 : 5 modulieren. Das ist möglich, weil dem Brenngasstrom auf den beiden Teilgaswegen 6-1 und 6-2, gegebenenfalls auch in den Verteilerplattenbereichen 12-1 und 12-2 und/oder in den Brennerflächenbereichen 10-1 und 10-2, unterschiedlich große Strömungswiderstände entgegenstehen. Der Strömungswiderstand im Teilgasweg 6-1 ist größer als der im Teilgasweg 6-2. Diese Strömungswiderstände sind fix vorgegeben oder während des Brennerbetriebs veränderbar. Bei gleicher Ventilöffnung gibt das Gasventil 7 über den Teilgasweg 6-1 eine geringere Brenngasmenge ab als über den Teilgasweg 6-2. Somit ist ein Betreiben des Gasgebläsebrenners in einem niedrigen und einem hohen Brennerleistungsbereich mit nur einem herkömmlichen Gasregelventil 7 und einem herkömmlichen Gebläse 4 möglich. Das Gasregelventil 7 arbeitet zusammen mit dem Luftmengenmesser 3 beispielsweise in einer pneumatischen Gasluftverbundregelung. Die geförderte Luftmenge dient im hohen Brennerleistungsbereich vollständig als Verbrennungsluft für die Brenngas-Luft-Gemischbildung. Im niedrigen Brennerleistungsbereich dient nur ein Teil der Luft als Verbrennungsluft für die Brenngas-Luft-Gemischbildung; ein anderer Teil tritt unvermischt mit Brenngas aus der Brennerfläche aus und nimmt nicht an der Verbrennung teil.