GASBRENNERVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM BETRIEB EINER GASBRENNERVORRICHTUNG

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Gasbrennervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Gasbrennervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.

[0002] Eine Gasbrennervorrichtung der eingangs genannten Art ist aus dem Patentdokument US 2010/218501 A1 bekannt.

[0003] Eine weitere Gasbrennervorrichtung ist aus dem Patentdokument WO 1993/18342 A1 bekannt. Diese Gasbrennervorrichtung besteht aus einem Flammkörper, der einen mit Löchern versehenen Brenneroberflächenabschnitt zur Verbrennung eines Gas-Luft-Gemisches aufweist, wobei jedes Loch eine Lochfläche und der Brenneroberflächenabschnitt eine sich aus einem Flächenverhältnis einer Gesamtsumme der Lochflächen und der (bzw. zur) Fläche des Brenneroberflächenabschnitts ergebende Porosität aufweist. Unter einem "Flammkörper" ist dabei hier und im Folgenden jeder dreidimensionale Körper zu verstehen, der geeignet ist, um an diesem einen Brenneroberflächenabschnitt anzuordnen. Der Begriff "Brenneroberflächenabschnitt" bedeutet dabei hier und im Folgenden, dass am Flammkörper wahlweise ein einziger solcher Abschnitt oder aber auch mehrere solcher Abschnitte vorgesehen sein können, wobei im Falle mehrerer Abschnitte, die insbesondere hinsichtlich ihrer Porosität auch unterschiedlich ausgebildet sein können, diese auch nahtlos ineinander übergehen können. Bei dem bei dieser Lösung verwendeten Gas handelt es sich im übrigen, wie der Fachmann ohne weiteres erkennt, um Erd- bzw. Methangas. Unter einem "Loch" ist dabei hier und im Folgenden eine Ausnehmung im Brenneroberflächenabschnitt zu verstehen, die zum Beispiel kreisförmig sein kann, aber nicht muss. Sie kann beispielsweise auch als Schlitz oder als Kreuzschlitz ausgebildet sind (vergleiche die Figuren 4 bis 7 im oben genannten Dokument).

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasbrennervorrichtung der eingangs genannten Art zu verbessern. Insbesondere soll eine auch mit Wasserstoff betreibbare Gasbrennervorrichtung geschaffen werden.

[0005] Diese Aufgabe ist mit einer Gasbrennervorrichtung der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

[0006] Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass die Porosität des Brenneroberflächenabschnitts mehr als 35% beträgt (vergleiche hierzu Seite 1, Zeile 27 des vorgenannten Standes der Technik), dass eine sich beim Betrieb der Gasbrennervorrichtung ergebende thermische Flächenbelastung mehr als 10.000 kW/m² beträgt und dass die runden Löcher einen Durchmesser von 0,4 bis 0,8 mm aufweisen. Verfahrensmäßig ausgedrückt, ist also vorgesehen, dass ein Brenneroberflächenabschnitt mit einer Porosität von mehr als 35% und ein mindestens anteilig Wasserstoff enthaltendes Gas verwendet und die Gasbrennervorrichtung mit einer thermischen Flächenbelastung von mehr als 10.000 kW/m² betrieben wird.

[0007] Mit anderen Worten zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung somit dadurch aus, dass aufgrund einer vergleichsweise hohen Porosität des Brenneroberflächenabschnitts vergleichsweise viel vom Gas-Luft-Gemisch durch die Löcher strömen kann. Ein oberer Grenzwert der Porosität liegt vorzugsweise bei 60%. Dies führt dazu, dass einerseits der Brenneroberflächenabschnitt gut gekühlt wird und somit ein Flammenrückschlag wirksam verhindert werden kann. Andererseits ist aufgrund der vergleichsweise hohen Porosität eine vergleichsweise hohe thermische Flächenbelastung realisierbar, was wiederum eine kompakte Bauweise der erfindungsgemäße Gasbrennervorrichtung ermöglicht. Unter "thermischer Flächenbelastung" ist dabei die vom Brenneroberflächenabschnitt abgegebene Wärmeleistung pro Fläche zu verstehen. Ein oberer Grenzwert der Flächenbelastung liegt vorzugsweise bei 30.000 kW/m².

[0008] Andere vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Gasbrennervorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer solchen Gasbrennervorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

[0009] Der Vollständigkeit halber wird noch auf das Patentdokument WO 2020/079445 A1 verwiesen. Aus diesem ist zwar eine Gasbrennervorrichtung zur Verbrennung von wasserstoffhaltigem Gas bekannt, Angaben zur Porosität oder Flächenbelastung sind in diesem Dokument aber nicht zu finden und es werden dem Fachmann auch keine Anregungen zur Festlegung dieser für eine gute Verbrennung wichtigen Parameter gegeben.

[0010] Es wird ferner auf das Patentdokument US 3 936 003 A verwiesen. In diesem Dokument ist eine Gasbrennervorrichtung offenbart, deren Brenneroberfläche allerdings lediglich eine Porosität im Bereich vom 15% bis 30% aufweist.

[0011] Des Weiteren wird auf das Patentdokument US 6 410 878 B1 verwiesen. In diesem Dokument ist eine Gasbrennervorrichtung mit einem "Flammenunterstützelement" (orig.: flame support element) bekannt, wobei letzteres zwar eine Volumenporosität von über 35% aufweist, aber keine Porosität einer Fläche, insbesondere der Brenneroberfläche im Sinne der hiesigen Erfindung ausbildet.

[0012] Die erfindungsgemäße Gasbrennervorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer solchen Gasbrennervorrichtung einschließlich ihrer bzw. seiner vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

[0013] Es zeigt schematisch und nicht maßstäblich

Figur 1

perspektivisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasbrennervorrichtung;

Figur 2

in Draufsicht einen Ausschnitt des Brenneroberflächenabschnitts mit kreisrunden Löchern; und

Figur 3

einen Schnitt durch den Brenneroberflächenabschnitt mit einem kreisrunden Loch.

[0014] Die in den Figuren dargestellte Gasbrennervorrichtung, die besonders bevorzugt als vollvormischender Brenner ausgebildet ist, besteht zunächst in bekannter Weise aus einem Flammkörper 1, der einen mit Löchern 2.1 versehenen Brenneroberflächenabschnitt 2 aufweist. Zum Betrieb dieser Gasbrennervorrichtung wird an dem Brenneroberflächenabschnitt 2, der, wie gesagt, an einem Flammkörper 1 angeordnet ist, ein Gas-Luft-Gemisch verbrannt. Ferner weist jedes Loch 2.1 eine Lochfläche und der Brenneroberflächenabschnitt 2 eine sich aus einem Flächenverhältnis einer Gesamtsumme der Lochflächen und der Fläche des Brenneroberflächenabschnitts 2 ergebende Porosität auf. Der Brenneroberflächenabschnitt 2 ist dabei vorzugsweise vollständig mit regelmäßig verteilten Löchern 2.1 versehen.

[0015] Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Gasbrennervorrichtung eine Modulationsfähigkeit von 1:5 aufweist, also ohne Probleme im Bereich zwischen 20 und 100% ihrer Leistung arbeiten kann.

[0016] Wesentlich für die erfindungsgemäße Gasbrennervorrichtung ist nun, dass die Porosität des Brenneroberflächenabschnitts 2 mehr als 35% beträgt dass eine sich beim Betrieb der Gasbrennervorrichtung ergebende thermische Flächenbelastung mehr als 10.000 kW/m² beträgt und dass die runden Löcher 2.1 einen Durchmesser D von 0,4 bis 0,8 mm aufweisen.

[0017] Verfahrensmäßig ausgedrückt ist also vorgesehen, dass ein Brenneroberflächenabschnitt 2 mit einer Porosität von mehr als 35% und ein mindestens anteilig Wasserstoff enthaltendes Gas verwendet und die Gasbrennervorrichtung mit einer thermischen Flächenbelastung von mehr als 10.000 kW/m² betrieben wird.

[0018] Bezüglich der Porosität ist dabei besonders bevorzugt vorgesehen, dass diese weniger als 60%, vorzugsweise zwischen 40% und 50%, beträgt.

[0019] Bezüglich des Gases ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass dieses mindestens 25%, vorzugsweise mindestens 50%, besonders bevorzugt mindestens 75%, ganz besonders bevorzugt mehr als 90% Wasserstoff enthaltend ausgebildet ist. Der jeweils verbleibende Anteil besteht vorzugsweise aus Erdgas oder dergleichen.

[0020] Wie insbesondere aus Figur 2 ersichtlich, ist weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass mindestens einige, vorzugsweise alle, der Löcher 2.1 rund, insbesondere kreisrund, ausgebildet sind.

[0021] Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Verhältnis "t/D" eines Abstands zweier Lochmittelpunkte t zum Durchmesser D eines Lochs 2.1 zwischen 1,125 und 2,25, vorzugsweise zwischen 1,125 und 1,6, besonders bevorzugt zwischen 1,2 und 1,4, beträgt. Außerdem ist bevorzugt vorgesehen, dass Ränder von zwei Löchern 2.1 zueinander einen Abstand b (auch Stegbreite genannt) von 0,1 bis 0,5 mm aufweisen. Noch genauer gesagt, bezeichnet b den kleinsten vorhandenen Abstand zwischen den Rändern zweier nächstbenachbarter Löcher. Es ist hierbei zu beachten, dass bei der vorliegenden Erfindung bei gegebener Lochgeometrie und -anordnung nur Wertepaare b und D verwendet werden, welche, wie oben beschrieben, zu einer Porosität von mehr als 35% führen, um einen effektiven Betrieb der Gasbrennervorrichtung zu gewährleisten.

[0022] Bezüglich der Anordnung der Löcher 2.1 auf dem Brenneroberflächenabschnitt 2 ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass diese wahlweise (wie in Figur 2 dargestellt) auf gedachten Ecken von insbesondere gleichseitigen Dreiecken oder (nicht extra dargestellt) auf gedachten Ecken von Rechtecken, insbesondere Quadraten, angeordnet sind (bei nicht quadratischen Rechtecken gibt es dann entsprechend zwei, zueinander senkrechte b-Werte).

[0023] Ferner ist, wie in Figur 1 dargestellt, besonders bevorzugt vorgesehen, dass der Flammkörper 1 als Zylinder ausgebildet und der Brenneroberflächenabschnitt 2 mit seinen Löchern 2.1 an einer Stirnseite des Zylinders angeordnet ist. Wie ersichtlich und wie eingangs bereits erläutert, muss der Brenneroberflächenabschnitt 2 dabei nicht die gesamte Oberfläche des Flammkörpers 1 ausfüllen bzw. ausmachen, sondern kann zum Beispiel, wie dargestellt als (im Verhältnis zur sonstigen Oberfläche relativ kleine) Ringfläche ausgebildet sein.

[0024] Bezüglich des verwendeten Materials ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass der Brenneroberflächenabschnitt 2 wahlweise aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff gebildet ist. Dabei weist das Material des Brenneroberflächenabschnitts 2 besonders bevorzugt eine Wärmeleitfähigkeit von 1 bis 25 W/ (m*K) auf.

[0025] Sofern ein metallisches Material für den Brenneroberflächenabschnitt 2 verwendet wird, ist bevorzugt vorgesehen, dass dieses eine Materialstärke s, siehe Figur 3, von 1 bis 3 mm aufweist.

[0026] Sofern ein keramisches Material für den Brenneroberflächenabschnitt 2 verwendet wird, ist schließlich bevorzugt vorgesehen, dass dieses eine Materialstärke s von 8 bis 12 mm, vorzugsweise 10 mmm, aufweist.

Bezugszeichenliste

[0027] 

1

Flammkörper

2

Brenneroberflächenabschnitt

2.1

Loch

b

Abstand

D

Durchmesser

s

Materialstärke

t

Abstand zweier Lochmittelpunkte

Ansprüche

1. Gasbrennervorrichtung, umfassend einen Flammkörper (1), der einen mit Löchern (2.1) versehenen Brenneroberflächenabschnitt (2) zur Verbrennung eines Gas-Luft-Gemisches aufweist, wobei jedes Loch (2.1) eine Lochfläche und der Brenneroberflächenabschnitt (2) eine sich aus einem Flächenverhältnis einer Gesamtsumme der Lochflächen und der Fläche des Brenneroberflächenabschnitts (2) ergebende Porosität aufweist, wobei das Gas mindestens anteilig Wasserstoff enthaltend ausgebildet ist, wobei mindestens einige Löcher (2.1) rund ausgebildet sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Porosität des Brenneroberflächenabschnitts (2) mehr als 35% beträgt, dass eine sich beim Betrieb der Gasbrennervorrichtung ergebende thermische Flächenbelastung mehr als 10.000 kW/m² beträgt und dass die runden Löcher (2.1) einen Durchmesser (D) von 0,4 bis 0,8 mm aufweisen.

2. Gasbrennervorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass alle Löcher (2.1) rund ausgebildet sind.

3. Gasbrennervorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Verhältnis eines Abstands zweier Lochmittelpunkte (t) zum Durchmesser (D) eines Lochs (2.1) zwischen 1,125 und 2,25 beträgt.

4. Gasbrennervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass Ränder von zwei Löchern (2.1) zueinander einen Abstand (b) von 0,1 bis 0,5 mm aufweisen.

5. Gasbrennervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Löcher (2.1) auf gedachten Ecken von Dreiecken angeordnet sind.

6. Gasbrennervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Flammkörper (1) als Zylinder ausgebildet und der Brenneroberflächenabschnitt (2) mit seinen Löchern (2.1) an einer Stirnseite des Zylinders angeordnet ist.

7. Gasbrennervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Brenneroberflächenabschnitt (2) wahlweise aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff gebildet ist.

8. Gasbrennervorrichtung nach Anspuch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein metallisches Material des Brenneroberflächenabschnitts (2) eine Materialstärke (s) von 1 bis 3 mm aufweist.

9. Verfahren zum Betrieb einer Gasbrennervorrichtung gemäß der Ansprüche 1 bis 8, bei dem an einem Brenneroberflächenabschnitt (2), der an einem Flammkörper (1) angeordnet und mit Löchern (2.1) versehen ist, ein Gas-Luft-Gemisch verbrannt wird, wobei jedes Loch (2.1) eine Lochfläche und der Brenneroberflächenabschnitt (2) eine sich aus einem Flächenverhältnis einer Gesamtsumme der Lochflächen und der Fläche des Brenneroberflächenabschnitts (2) ergebende Porosität aufweist, wobei ein Brenneroberflächenabschnitt (2) mit einer Porosität von mehr als 35% und ein mindestens anteilig Wasserstoff enthaltendes Gas verwendet und die Gasbrennervorrichtung mit einer thermischen Flächenbelastung von mehr als 10.000 kW/m² betrieben wird.

Claims

1. A gas burner device, comprising a flame body (1) which has a burner surface section (2) provided with holes (2.1) for the combustion of a gas-air mixture, wherein each hole (2.1) has a hole area and the burner surface section (2) has a porosity resulting from an area ratio of a total sum of the hole areas and the area of the burner surface section (2), wherein the gas is formed containing at least a proportion of hydrogen, wherein at least some holes (2.1) are formed round,
characterised in that
the porosity of the burner surface section (2) amounts to more than 35%, that a thermal area load resulting during the operation of the gas burner device amounts to more than 10,000 kW/m² and that the round holes (2.1) have a diameter (D) of 0.4 to 0.8 mm.

2. The gas burner device according to claim 1, characterised in that
all the holes (2.1) are formed round.

3. The gas burner device according to claim 2,
characterised in that
a ratio of a distance between two hole centres (t) to the diameter (D) of a hole (2.1) amounts to between 1.125 and 2.25.

4. The gas burner device according to any one of claims 1 to 3,
characterised in that
edges of two holes (2.1) have a distance (b) of 0.1 to 0.5 mm from one another.

5. The gas burner device according to any one of claims 1 to 4,
characterised in that
the holes (2.1) are arranged on imaginary corners of triangles.

6. The gas burner device according to any one of claims 1 to 5,
characterised in that
that the flame body (1) is designed as a cylinder and that the burner surface section (2) with its holes (2.1) is arranged at an end face of the cylinder.

7. The gas burner device according to any one of claims 1 to 6,
characterised in that
the burner surface section (2) is optionally made of a metallic or ceramic material.

8. The gas burner device according to claim 7, characterised in that,
a metallic material of the burner surface section (2) has a material thickness (s) of 1 to 3 mm.

9. A method for operating a gas burner device according to any one of claims 1 to 8, in which a gas-air mixture undergoes combustion at a burner surface section (2) which is arranged on a flame body (1) and provided with holes (2.1), wherein each hole (2.1) has a hole area and the burner surface section (2) has a porosity resulting from an area ratio of a total sum of the hole areas and the area of the burner surface section (2), wherein a burner surface section (2) with a porosity of more than 35% and a gas containing at least a proportion of hydrogen is used and the gas burner device is operated with a thermal area load of more than 10,000 kW/m².

Revendications

1. Dispositif de brûleur à gaz, comprenant une grille de brûleur (1), qui comporte un segment superficiel (2) de brûleur, muni de trous (2.1), pour la combustion d'un mélange gaz/air, chaque trou (2.1) comportant une surface de trou et le segment superficiel (2) de brûleur faisant preuve d'une porosité résultant du rapport superficiel d'une somme totale des surfaces de trous et du segment superficiel (2) de brûleur, le gaz étant conçu de sorte à contenir au moins proportionnellement de l'hydrogène, au moins certains trous (2.1) étant conçus de forme ronde,
caractérisé en ce que
la porosité du segment superficiel (2) de brûleur s'élève à plus de 35 %, en ce qu'une charge thermique surfacique résultant du fonctionnement du dispositif de brûleur à gaz s'élève à plus de 10.000 kW/m² et en ce que les trous (2.1) ronds présentent un diamètre (D) de 0,4 à 0,8 mm.

2. Dispositif de brûleur à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que
tous les trous (2.1) sont conçus de forme ronde.

3. Dispositif de brûleur à gaz selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'
un rapport d'un écart entre deux points médians (t) de trous au diamètre (D) d'un trou (2.1) est compris entre 1,125 et 2,25.

4. Dispositif de brûleur à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que
des bords de deux trous (2.1) présentent mutuellement un écart (b) compris entre 0,1 et 0,5 mm.

5. Dispositif de brûleur à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,
caractérisé en ce que
les trous (2.1) sont placés sur des angles imaginaires de triangles.

6. Dispositif de brûleur à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,
caractérisé en ce que
la grille de brûleur (1) est conçue sous la forme d'un cylindre et le segment superficiel (2) de brûleur avec ses trous (2.1) est placé sur une face frontale du cylindre.

7. Dispositif de brûleur à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 6,
caractérisé en ce que
le segment superficiel (2) de brûleur est conçu sélectivement en une matière métallique ou céramique.

8. Dispositif de brûleur à gaz selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'
une matière métallique du segment superficiel (2) de brûleur présente une épaisseur (s) de matière de 1 à 3 mm.

9. Procédé opérationnel d'un dispositif de brûleur à gaz selon les revendications 1 à 8, lors duquel sur un segment superficiel (2) de brûleur, qui est placé sur une grille de brûleur (1) et qui est muni de trous (2.1), l'on fait brûler un mélange gaz/air, chaque trou (2.1) comportant une surface de trou et le segment superficiel (2) de brûleur faisant preuve d'une porosité résultant du rapport superficiel d'une somme totale des surfaces de trous et de la surface du segment superficiel (2) de brûleur, un segment superficiel (2) de brûleur étant utilisé avec une porosité de plus de 35 % et un gaz contenant au moins proportionnellement de l'hydrogène et le dispositif de brûleur à gaz étant mis en service avec une charge thermique surfacique de plus de 10.000 kW/m².

Zeichnung