Brenngas-Luft-Mischvorrichtung

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Brenngas-Luft-Mischvorrichtung für ein Heizgerät. Gattungsgemäße Mischvorrichtungen basieren auf einer Mischdüse, üblicherweise einer Venturidüse, bei der mittels eines Gebläses Luft durch die Düse gefördert wird. Im Bereich des engen Querschnitts der Venturidüse wird orthogonal Brenngas zugeführt. Über eine Drossel im Gasweg wird die für eine saubere Verbrennung benötigte Brenngasmenge im Verhältnis zur Luftmenge eingestellt. Die Venturidüse gewährleistet, dass über einen bestimmten Bereich des Luftmassenstroms das Brenngas-Luft-Verhältnis in engen Toleranzen konstant bleibt.

[0002] Dies trifft jedoch unterhalb eines Grenzwerts, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit zu gering wird, nicht mehr zu. Für ein Heizungsgerät ist es jedoch vorteilhaft, wenn dieses über einen breiten Modulationsbereich, also einem großen Verhältnis zwischen maximaler und minimaler Leistung bei Nenn- bzw. bei Teillast verfügt. Diese Systeme sind jedoch dahingehend begrenzt, dass der sich dabei über die Venturidüse einstellende Druckverlust von Teilzu Nennlast quadratisch verhält und dadurch das Gesamtsystem in der Nennlast durch die maximal mögliche Druckerhöhung des verwendeten Gebläses begrenzt ist.

[0003] Aus diesem Grund sind aus dem Stand der Technik verschiedene Lösungen bekannt, die auch im Teillastbereich mit geringen Leistungen ein ausreichend eng toleriertes Brenngas-Luft-Verhältnis aufweisen.

[0004] Die Patentanmeldung DE 196 35 974 A1 beschreibt eine Brenngas-Luft-Mischvorrichtung für Gasheizgeräte, bei dem der Öffnungsquerschnitt zur Brennkammer durch eine schwerkraftbelastete Pendelklappe je nach Volumenstrom angepasst wird.

[0005] Das Patent EP 1 183 483 B1 beschreibt eine Mischvorrichtung für Brenngas und Verbrennungsluft mit zwei parallelen Luftdüsen in Form von Venturidüsen. Eine oder alternativ beide Luftdüsen sind durch Absperreinrichtungen abschaltbar. Die Absperreinrichtungen sind als Klappen ausgebildet, wobei die Klappen durch Federn gegen die Strömungsrichtung gehalten werden. Die Federrate bestimmt somit die Absperrcharakteristik.

[0006] Aus der Patentanmeldung WO 2012/007823 ist eine Mischvorrichtungen bekannt, bei der ebenfalls eine Klappe im Luftweg den Strömungsquerschnitt bei Teillast verringern. Eine weitere durch den Luftdruck betätigte Klappe verschließt den Brenngasweg.

[0007] Die Patentschrift DE 41 37 573 C1 offenbart eine Mischvorrichtung mit einem strömungsgünstigen Verdrängungskörper innerhalb einer Venturidüse. Um die Mischvorrichtung an unterschiedliche Gasqualitäten einstellen zu können, ist die Position des Verdrängungskörpers innerhalb der Venturidüse in Luft-Strömungsrichtung mittels Spindel verstellbar. Ebenfalls ist die Gaszufuhr drosselbar.

[0008] Die Patentschrift DE 103 24 706 B3 beschreibt eine Mischvorrichtung, bei der ein Kegel förmiger Verdrängungskörper durch einen stell Motor in eine Luftdüse einfahrbar ist. Der Stellmotor für den Kegel arbeitet in Abhängigkeit von einem Signal eines Sensors, der Änderungen der Gasqualität, des Luftdrucks und/oder der Verbrennungslufttemperatur erfasst.

[0009] Die aus dem Stand der Technik bekannten Mischvorrichtungen haben jedoch den Nachteil, dass der durch die Geometrie bestimmte Zusammenhang zwischen Luftvolumen und Druckverlust im engen Querschnitt nur sprunghaft, aber nicht kontinuierlich verändert werden kann. Auch im Fall eines stetigen Öffnens der Absperreinrichtung in einer der Luftdüsen bleibt das für die Gaseindüsung maßgebliche Drucksignal ausschließlich von der vorliegenden, unveränderlichen Düsengeometrie abhängig. Weiterhin bewirkt das Einbringen schwerkraft- oder federbelasteter Absperreinrichtungen im Strömungsweg Regeltoleranzen, die einerseits auf ungünstige Strömungsverhältnisse und andererseits auf die Empfindlichkeit des Druckverlusts gegenüber Bauteiltoleranzen zurückzuführen ist.

[0010] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Mischvorrichtung bereitzustellen, deren Mischungsverhältnisse zwischen Brenngas und Luft bei geringer Teillast gegenüber dem Stand der Technik noch enger toleriert ist. Ziel ist es, mit einem im Venturiprinzip betriebenen pneumatischen Gas-Luft-Verbund im Teillastbetrieb ein ausreichend großes Drucksignal zu erzeugen, um eine genaue Regelung der Gasarmatur zu gewährleisten.

[0011] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass einerseits der Strömungsweg der Luftzufuhr so gestaltet wird, dass dieser störungsfrei und ohne Kanten oder Bleche gestaltet ist, an denen Verwirbelungen entstehen. Andererseits ist eine kontinuierliche Veränderung des Querschnitts in Abhängigkeit vom Luftmassenstrom vorgesehen. Dies erfolgt einerseits durch eine strömungsgünstige Gestaltung des Drosselmittels, andererseits durch die Möglichkeit, dass sich Drosselmittel und Luftkanal kontinuierlich zueinander verschieben. Dabei erfolgt die Richtung der Verschiebung parallel zur Luftströmungsrichtung, so dass diese Verschiebung einfach durch Luftdruckdifferenzen vor und hinter der Mischvorrichtung bewirkt werden kann. Die Mischvorrichtung ist so ausgebildet, dass die strömende Luft und damit der wirkende Luftdruck des Verbunds den Luftkanal und/oder das Drosselmittel entgegen einem elastischen Element in Luftströmungsrichtung verschiebt. Durch das elastische Element wird ein Kraft-Weg-Zusammenhang definiert. Die Gestaltung des Luftkanals, des Drosselmittels und des elastischen Elements werden dabei so angepasst, dass sich mit zunehmendem Luftmassenstrom die Querschnittsfläche, die zwischen Drosselmittel und Luftkanal gebildet wird, kontinuierlich vergrößert. Damit ist sichergestellt, dass in einem weiten Bereich für den Luftmassenstrom die für die zuverlässige Funktion der Mischvorrichtung erforderliche minimale Strömungsgeschwindigkeit vorliegt und somit ein für eine Funktion der Mischvorrichtung ausreichend hoher Unterdruck vorliegt.

[0012] Zwar ist aus der DE 198 06 315 C1 bekannt, in einer Brenngas-Luft-Mischvorrichtung einen durch die Luftströmung axial verschiebbaren Verdrängungskörper vorzusehen. Diese Ausführung verspricht eine sehr leistungsfähige Düse, jedoch gibt es keine Hinweise darauf, dass sich diese Düse besonders eignet exakte Mischungsverhältnisse zwischen Brenngas und Luft bei geringer Teillast sicherzustellen.

[0013] Daher ist erfindungsgemäß gegenüber dem bekannten Stand der Technik das verschiebbare Drosselmittel oder der verschiebbare Luftkanal so mit einem separaten Ventil für Brenngas gekoppelt, dass dieses gleichzeitig mit der den Luftkanal öffnenden Verschiebung des Drosselmittels oder Luftkanals kontinuierlich und proportional zur Querschnittsveränderung des Luftkanals geöffnet wird. Damit ist sichergestellt, dass in jedem Betriebspunkt der Mischvorrichtung das Luft/Brenngas-Verhältnis einem vorgegebenen Wert entspricht.

[0014] In einer Ausführungsform der Erfindung ist die strömungsgünstige Gestaltung durch ein vorteilhaftes Längen/Durchmesser-Verhältnis sichergestellt. Dabei soll der Begriff Durchmesser nicht auf kreisrunde Querschnitte beschränkt sein, sondern vielmehr für jede Querschnittsform anwendbar sein.

[0015] In einer bevorzugten Ausführungsvariante weist das Drosselmittel kontinuierliche Querschnittsübergänge auf. Damit ist eine ungestörte Strömung entlang des Drosselmittels möglich.

[0016] Bevorzugt ist das elastische Element eine Feder.

[0017] In einer Variante der Erfindung ist der Luftkanal ortsfest und das Drosselmittel verschiebbar ausgeführt.

[0018] In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Variante der Erfindung ist das Drosselmittel mit einem federbelasteten Hebel verbunden, der so lang ist, dass das Drosselmittel entlang einer näherungsweise geradlinigen Ortskurve parallel zur Luftströmungsrichtung bewegbar ist.

[0019] In einer alternativen Variante der Erfindung hingegen ist das Drosselmittel ortsfest und der Luftkanal verschiebbar ausgeführt. Bevorzugt ist der Luftkanal entgegen einer Feder verschiebbar linear geführt.

[0020] Die Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert.

[0021] Es stellen dar:

Figur 1:

eine Schnittzeichnung einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung.

Figur 2:

eine Schnittzeichnung einer Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung.

[0022] Figur 1 zeigt eine Bezeichnung einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung. Von einem rechtsseitig angeordneten, hier nicht dargestellten Gebläse wird Luft durch die Venturidüse gefördert. Die Venturidüse wird gebildet aus dem Luftkanal 2 und dem darin enthaltenen Drosselmittel 3. Von links gesehen verringert sich der freie Querschnitt für die Luftströmung kontinuierlich bis zu einer Querschnittsverengung 4, um sich danach wieder zu erweitern. Im Bereich der Querschnittsverengung 4 ist eine Zuführung 5 für Brenngas vorgesehen. Aufgrund der höheren Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Querschnittsverengung bildet sich ein Unterdruck, so dass durch die Zuführung 5 Brenngas in den Luftweg gefördert wird und sich mit der Luft vermischt. Mit Hilfe der Drehzahl des hier nicht dargestellten Gebläses kann die Menge des Gas-Luft-Gemisches verändert werden. Dabei bleibt das Mischungsverhältnis zwischen Brenngas und Luft in einem bestimmten Bereich konstant. Wird die Drehzahl des Gebläses und damit der Massenstrom der Luft noch weiter verringert, ist nicht mehr sichergestellt, dass das Mischungsverhältnis konstant bleibt. Aus diesem Grund ist die Venturidüse 1 so ausgeführt, dass der Luftkanal 2 und das Drosselmittel 3 sich aufgrund der Druckverhältnisse, die sich durch die Luftströmung einstellen, der Weise gegeneinander verschieben können, dass sich mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten die freie Querschnittsfläche zwischen Luftkanal 2 und Drosselmittel 3 vergrößert bzw. mit niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten verringert. Dies kann entweder über den gesamten Modulationsbereich des Gebläses kontinuierlich erfolgen, nur im unteren Teillastbereich kontinuierlich oder aber bei einem bestimmten Betriebspunkt binär in der Weise, dass bei über- oder unterschreiten dieses Betriebspunkt entweder eine große oder eine kleine Querschnittsfläche zwischen Luftkanal 2 und Drosselmittel 3 frei bleiben. Ebenfalls kann eine reibungsbedingte Hysterese vorgesehen sein, die ein Flattern verhindert.

[0023] Durch die hohe Luftgeschwindigkeit wird der Luftkanal 2 entgegen der Feder 7 nach rechts geschoben. Dazu ist der Luftkanal 2 links mittels einer Führung 8, die durch Speichen mit dem Luftkanal 2 verbunden ist, auf dem feststehenden Drosselmittel 3 geführt. Die Zuführung 5 ist mit einem Ventil 6 verbunden, mit der der Massenstrom des zugeführten Brenngases veränderbar ist. Das Ventil 6 ist so mit dem Luftkanal 2 verbunden, dass das Ventil 6 geöffnet wird, wenn der Luftkanal 2 nach rechts verschoben wird. Dadurch wird die Brenngasmenge an den sich verändernden Querschnitt der Venturidüse angepasst.

[0024] In Figur 2 ist eine alternative Ausführungsform der Mischvorrichtung gezeigt. Das Drosselmittel 3 weist die Form eines Rotationsellipsoids auf. Das Drosselmittel 3 ist an einem langen Hebel so befestigt, dass es entlang einer Kreisbahn mit sehr großem Radius, der näherungsweise eine Gerade darstellt, geführt wird. Mit zunehmender Luftgeschwindigkeit wird das Drosselmittel entgegen der Feder 7 nach rechts gedrückt. Der Hebel ist mit einem Ventil 6 verbunden, durch das die Brenngaszufuhr durch die Zuführung 5 dosierbar ist. Mit zunehmender Luftgeschwindigkeit wird das Ventil 6 immer weiter geöffnet, so dass die Brenngaszufuhr an die Luftmenge angepasst wird.

Bezugszeichenliste

[0025] 

1

Mischdüse

2

Luftkanal

3

Drosselmittel

4

Querschnittsverengung

5

Zuführung

6

Ventil

7

elastisches Element

8

Führung

Ansprüche

1. Mischvorrichtung zum Mischen von Brenngas und Luft in einem definierten Mischungsverhältnis, umfassend eine Mischdüse (1), welche einen Luftkanal (2) beinhaltet, durch die Luft leitbar ist, umfassend eine Zuführung (5) für Brenngas, die in die Mischdüse (1) mündet, und umfassend ein Drosselmittel (3), wobei das Drosselmittel (3) strömungsgünstig geformt ist und so im Luftkanal (2) angeordnet ist, dass der zwischen Luftkanal (2) und Drosselmittel (3) verbleibende Querschnitt eine im wesentlichen kontinuierliche Querschnittsverengung (4) bildet, in der die Zuführung (5) mündet, und dass das Drosselmittel (3) und der Luftkanal (2) so relativ zueinander in Luftströmungsrichtung verschiebbar sind, dass sich die Querschnittsfläche im Bereich der Querschnittsverengung (4) mit zunehmendem Luftmassenstrom kontinuierlich reversibel erweitert, wobei
das verschiebbare Drosselmittel (3) oder der verschiebbare Luftkanal (2) so mit einem Ventil (6) für Brenngas gekoppelt ist, dass dieses kontinuierlich geöffnet wird, wenn sich das verschiebbare Drosselmittel (3) oder der verschiebbare Luftkanal (2) in eine Richtung bewegt, die eine Vergrößerung der Querschnittsfläche im Bereich der Querschnittsverengung (4) bewirkt dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (2) und das Drosselmittel (3) so ausgebildet sind, dass die strömende Luft eine Kraft auf den Luftkanal (2) und/oder das Drosselmittel (3) ausübt und dass diese Kraft so gegen ein elastisches Element (7) wirkt, dass sich das Drosselmittel (3) und der Luftkanal (2) relativ zueinander in Strömungsrichtung verschieben.

2. Mischvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Drosselmittel (3) in Luftströmungsrichtung gesehen ein Längen/Durchmesser-Verhältnis von größer 0,5, bevorzugt größer 1 aufweist.

3. Mischvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Drosselmittel (3) in Luftströmungsrichtung gesehen im wesentlichen kontinuierliche Querschnittsübergänge aufweist.

4. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Drosselmittel in Luftströmungsrichtung gesehen eine im wesentlichen elliptische Form aufweist.

5. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das elastische Element (7) eine Feder ist.

6. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Luftkanal (2) fest und das Drosselmittel (3) verschiebbar ausgeführt ist.

7. Mischvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Drosselmittel (3) mit einem federbelasteten Hebel verbunden ist.

8. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Drosselmittel (3) fest und der Luftkanal (2) verschiebbar ausgeführt ist.

9. Mischvorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Luftkanal (2) entgegen einer Feder verschiebbar linear geführt ist.

Claims

1. Mixing device to mix fuel gas and air in a defined mixture ratio, comprising a mixing nozzle (1) which contains an air duct (2), through which the air can be guided, comprising a feed (5) for fuel gas, which enters the mixing nozzle (1), and comprising a throttle portion (3), wherein the throttle portion (3) is formed in a flow-efficient manner and arranged in the air duct (2) in such a way that the cross section remaining between the air duct (2) and the throttle portion (3) forms a substantially continuous cross-sectional narrowing (4), into which the feed (5) enters, and that the throttle portion (3) and the air duct (2) are displaceable in the direction of the air flow relative to each other, so that, with increasing air mass flow, the cross-sectional area continuously reversibly expands in the region of the cross-sectional narrowing (4), wherein the displaceable throttle portion (3) or the displaceable air duct (2) is coupled to a valve (6) for fuel gas in such a way that this is continuously opened if the displaceable throttle portion (3) or the displaceable air duct (2) moves in a direction which induces an enlargement of the cross-sectional area in the region of the cross-sectional narrowing (4), characterised in that the air duct (2) and the throttle portion (3) are formed in such a way that the flowing air exerts a force on the air duct (2) and/or the throttle portion (3) and that this force acts against an elastic element (7) in such a way that the throttle portion (3) and the air duct (2) are displaced relative to each other in the direction of the flow.

2. Mixing device according to claim 1, wherein the throttle portion (3), viewed in the direction of the air flow, has a length/diameter ratio of greater than 0.5, preferably greater than 1.

3. Mixing device according to claim 1 or 2, wherein the throttle portion (3), viewed in the direction of the air flow, has substantially continuous cross-sectional transitions.

4. Mixing device according to one of claims 1 to 3, wherein the throttle portion, viewed in the direction of the air flow, has a substantially elliptical form.

5. Mixing device according to one of claims 1 to 4, wherein the elastic element (7) is a spring.

6. Mixing device according to one of claims 1 to 5, wherein the air duct (2) is firmly implemented and the throttle portion (3) is implemented so that it can be displaced.

7. Mixing device according to claim 6, wherein the throttle portion (3) is connected to a spring-loaded lever.

8. Mixing device according to one of claims 1 to 5, wherein the throttle portion (3) is firmly implemented and the air duct (2) is implemented so that it can be displaced.

9. Mixing device according to claim 8, wherein the air duct (2) is guided linearly towards a spring in a displaceable manner.

Revendications

1. Dispositif de mélange destiné à mélanger du gaz combustible et de l'air dans une proportion de mélange défini, comprenant une buse mélangeuse (1), laquelle contient un conduit d'air (2) par lequel l'air peut passer, comprenant une arrivée (5) pour le gaz combustible, laquelle entre dans la buse mélangeuse (1), et comprenant un moyen d'étranglement (3), le moyen d'étranglement (3) facilitant l'écoulement et étant disposé dans le conduit d'air (2) de sorte que la section transversale restante entre le conduit d'air (2) et le moyen d'étranglement (3) forme en général un rétrécissement de section (4) continu dans lequel l'arrivée (5) entre, et de sorte que le moyen d'étranglement (3) et le conduit d'air (2) peuvent être déplacés relativement l'un par rapport à l'autre dans le sens de l'écoulement, de sorte que la surface de section s'élargit en continu et de façon réversible dans la région du rétrécissement de section (4) avec un débit massique d'air croissant, le moyen d'étranglement (3) pouvant être déplacé ou le conduit d'air (2) pouvant être déplacé est couplé avec une vanne (6) pour le gaz combustible, de sorte que celle-ci est ouverte en continu lorsque le moyen d'étranglement (3) pouvant être déplacé ou le conduit d'air (2) pouvant être déplacé bouge dans un sens qui entraîne l'agrandissement de la surface de section dans la région du rétrécissement de section (4), caractérisé en ce que le conduit d'air (2) et le moyen d'étranglement (3) sont conçus de sorte que l'air qui passe exerce une force sur le conduit d'air (2) et/ou sur le moyen d'étranglement (3) et en ce que cette force agit contre un élément élastique (7), de sorte que le moyen d'étranglement (3) et le conduit d'air (2) se déplacent l'un par rapport à l'autre dans le sens de l'écoulement.

2. Dispositif de mélange selon la revendication 1, dans lequel le moyen d'étranglement (3) présente un ratio longueur/diamètre supérieur à 0,5, de préférence supérieur à 1 dans le sens de l'écoulement.

3. Dispositif de mélange selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le moyen d'étranglement (3) présente en général des passages de section en continu dans le sens de l'écoulement.

4. Dispositif de mélange selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le moyen d'étranglement présente en général une forme elliptique dans le sens de l'écoulement.

5. Dispositif de mélange selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'élément élastique (7) est un ressort.

6. Dispositif de mélange selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le conduit d'air (2) et le moyen d'étranglement (3) peuvent coulisser.

7. Dispositif de mélange selon la revendication 6, dans lequel le moyen d'étranglement (3) est relié à un levier actionné par ressort.

8. Dispositif de mélange selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le moyen d'étranglement (3) est fixe et le conduit d'air (2) peut coulisser.

9. Dispositif de mélange selon la revendication 8, dans lequel le conduit d'air (2) peut être déplacé linéairement contre un ressort.

Zeichnung