DE19810750A1

DE19810750A1 - Method and device for operating an atmospheric gas burner

Info

Publication number: DE19810750A1
Application number: DE19810750A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Besser; Kersten Wehmeier; Marcus Dr Bienzle; Klaus Danner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-10-06
Filing date: 1998-03-12
Publication date: 1999-04-08
Also published as: DE59811708D1

Description

State of the art

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Betreiben eines atmosphärischen Gasbrenners. Bei bekannten Gasbrennern dieser Gattung erfolgt die Eindüsung des Brennstoffs durch eine Düse mit konstantem Austrittsquerschnitt, die in festem Abstand und fester Lage zur Mischrohröffnung des Gasbrenners angeordnet ist. Die Luftansaugung des Vormischsystems ist dabei abhängig vom Austrittsimpuls des treibenden Brennstoffstrahls, wobei die auftretenden Verluste mit zunehmendem Brennstoffdurchsatz überproportional ansteigen und dadurch das Brennstoff- Luftverhältnis über dem Modulationsbereich des Gasbrenners nicht konstant ist. Um diesem unerwünschten Effekt zu begegnen, wird in der DE-OS 44 07 758 vorgeschlagen, durch bewegliche Strömungshindernisse den Luftzutritt zum Mischrohr im unteren Lastbereich zu verringern oder die Düse verschiebbar zu lagern um somit ihren Abstand zur Mischrohröffnung zu verändern. Diese Maßnahmen bedingen den Einsatz von beweglichen Teilen, die schmutz- und störungsempfindlich sind und die Anordnung nicht unwesentlich verteuern.The invention is based on a method and one Device for operating an atmospheric gas burner. In known gas burners of this type, the Injection of the fuel through a nozzle with constant Exit cross-section that is at a fixed distance and fixed position is arranged to the mixing tube opening of the gas burner. The Air intake of the premixing system depends on Exit pulse of the driving fuel jet, the losses occurring with increasing fuel throughput increase disproportionately and thereby the fuel Air ratio over the modulation range of the gas burner is not constant. To this undesirable effect encounter, is proposed in DE-OS 44 07 758 by Movable flow obstacles prevent air from entering Mixing tube in the lower load range or reduce the nozzle slidable to store their distance from the To change the mixing tube opening. These measures require the Use of moving parts that are dirty and dirty are sensitive to interference and the arrangement is not insignificantly more expensive.

Advantages of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen auf einfache Art und Weise eine Variation des Brennstoff-Luftverhältnisses, die zum Ausgleich von Veränderungen des Brennstoff-Luftverhältnisses über dem Modulationsbereich und/oder zur Anpassung des Gasbrenners an verschiedene Brennstoffe ohne Düsenwechsel eingesetzt werden kann. Weiterhin zeichnet sich die erfindungsgemäße Anordnung durch einen einfachen Aufbau aus, der ohne bewegliche Teile auskommt.The inventive method and the inventive Device allow a simple way Variation of the air-fuel ratio leading to Compensation for changes in the air-fuel ratio over the modulation range and / or to adjust the Gas burner on different fuels without changing the nozzle can be used. Furthermore, the arrangement according to the invention by a simple structure, that works without moving parts.

Durch die Merkmale der Unteransprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Anordnung möglich.The features of the subclaims are advantageous Embodiments of the method and the arrangement possible.

Die Aufteilung des Gesamtstroms des Brenngases auf einen in Bezug auf die Mischrohröffnung zentral ausgerichteten Teilgasstrom und auf mindestens einen weiteren nicht zentral ausgerichteten Teilgasstrom kann über die eingestellte bzw. geforderte Brennerleistung erfolgen, indem zum Konstanthalten des Brennstoff-Luftverhältnisses über dem gesamten Modulationsbereich des Gasbrenners eine zentrale Düse vorgesehen ist, die für eine maximal erforderliche Verbrennungsluft- Ansaugung bei Nennbelastung des Gasbrenners ausgelegt ist, während eine Außendüse vorgesehen ist, die für eine minimal erforderliche Verbrennungsluft- Ansaugung im Teillastbereich des Gasbrenners ausgelegt ist. Die Gaszufuhr kann dergestalt erfolgen, daß mit abnehmender Brennerbelastung ein zunehmend größerer Anteil des zugeführten Brennstoffs durch die Außendüse tritt, während der durch die zentrale Düse austretende Teilgasstrom reduziert wird. Da der Zusammenhang zwischen Brennerleistung und Luftzahl λ insbesondere bei atmosphärischen Brennern mit geringer Verschmutzungsneigung fest vorgegeben ist, kann die Aufteilung der Teilgasströme in einer Kennlinie bzw. Kennlinienschar im Steuergerät des Heizgeräts hinterlegt werden.The distribution of the total flow of fuel gas into one Centrally aligned with respect to the mixing tube opening Part gas flow and not central to at least one other aligned partial gas flow can be adjusted via the required burner output take place by Keeping the air-fuel ratio constant above that entire modulation range of the gas burner a central Nozzle is provided for a maximum required Combustion air intake at nominal load of the Gas burner is designed while an outer nozzle is provided which is required for a minimally required combustion air Intake in the partial load range of the gas burner is designed. The gas supply can take place in such a way that with decreasing Burner load an increasingly larger proportion of the supplied fuel passes through the outer nozzle while the partial gas flow emerging through the central nozzle is reduced. Because the relationship between burner performance and air ratio λ especially with atmospheric burners low pollution tendency is fixed, the Distribution of the partial gas flows in a characteristic curve or Characteristic curve set stored in the control unit of the heater become.

Bei einem Gasartenwechsel kommt es in der Regel zu einer Veränderung der Luftzahl λ und der Brennerbelastung. In vorteilhafter Weise kann die Aufteilung der Teilgasströme auf die zentrale Düse und auf die Außendüse dann so erfolgen, daß die geforderte Brennerleistung im wesentlichen über den zentral ausgerichteten Teilgasstrom bedient wird, während zur Einstellung bzw. zum Konstanthalten des Brenngas-Luftverhältnisses der nicht zentral ausgerichtete Teilgasstrom bzw. die Außendüse herangezogen wird, wobei ein Gasartenwechsel während der Verbrennung durch einen zusätzlichen Sensor erfaßt wird. Damit kann über ein Steuergerät eines Verbrennungsregelsystems der Gesamtgasstrom auf das aus den zwei Düsenarten bestehende Injektorsystem so aufgeteilt werden, daß die ursprungliche Luftzahl λ und damit auch die ursprüngliche Brennerbelastung beibehalten werden.When changing the gas type, there is usually one Change in air ratio λ and burner load. In The division of the partial gas streams can be advantageous on the central nozzle and on the outer nozzle like this take place that the required burner output essentially is operated via the central gas flow, while to adjust or to keep the The fuel gas-air ratio is not the central one Part gas flow or the outer nozzle is used, with a Gas type change during combustion by a additional sensor is detected. So that can over Control unit of a combustion control system Total gas flow to that consisting of the two types of nozzles Injector system to be divided so that the original Air ratio λ and thus also the original burner load to be kept.

Im modulierenden Betrieb eines atmosphärischen Gasbrenners mit Vollvormischung nimmt bei kleiner werdender Last das Luftverhältnis zu, weil sich dabei der Injektorwirkungsgrad wegen des verringerten Massendurchsatzes verbessert. Ferner ist bekannt, daß die Injektorwirkung bei gleichbleibendem Massendurchsatz des Brennstoffes mit zunehmender Größe der Austrittsöffnung der Düse abnimmt. Ausgehend von diesen Tatsachen und unter Zugrundelegung der Aufgabe, das Brennstoff-Luftverhältnis über den Modulationsbereich des Gasbrenners konstant zu halten oder abhängig vom Lastverlauf in bestimmter Weise zu variieren, wird vorgeschlagen, daß der Austrittsquerschnitt der zentralen Düse kleiner ist als der Austrittsquerschnitt der Außendüse bzw. die Summe der Austrittsquerschnitte der Außendüse.In the modulating operation of an atmospheric gas burner with full premixing, this takes as the load decreases Air ratio too, because this increases the injector efficiency improved because of the reduced mass throughput. Further it is known that the injector effect remains the same Mass flow rate of the fuel with increasing size of the Outlet opening of the nozzle decreases. Starting from these Facts and based on the task, the Fuel-air ratio over the modulation range of the Keep gas burner constant or depending on the load curve to vary in certain ways, it is proposed that the outlet cross section of the central nozzle is smaller than the outlet cross section of the outer nozzle or the sum of the Outlet cross sections of the outer nozzle.

Damit der aus der Außendüse austretende Brennstoffstrahl den Luftzutritt zur Mischrohröffnung nicht behindert, wird vorgeschlagen, daß die Austrittsöffnung der Außendüse gegenüber der zentralen Düse axial zurückversetzt ist.So that the fuel jet emerging from the outer nozzle Air access to the mixing tube opening is not hindered suggested that the outlet opening of the outer nozzle is axially set back with respect to the central nozzle.

In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform ist die Außendüse als konzentrisch zur zentralen Düse angeordnete Ringdüse ausgebildet, während bei einer zweiten Ausführungsform die Außendüse aus radial zur zentralen Düse angeordneten Einzeldüsen besteht.In a first advantageous embodiment, the The outer nozzle is arranged as concentric with the central nozzle Ring nozzle formed while a second Embodiment the outer nozzle from radial to the central nozzle arranged individual nozzles.

Damit die beiden Gaswege zur zentralen Düse und zur Außendüse getrennt geregelt werden können, sind zwei Regelventile vorgesehen, denen gemeinsam zwei Sicherheitsventile vorgeschaltet sind. In einer alternativen Ausführungsform kommen zwei kombinierte Sicherheits/Regelventile zum Einsatz, denen in diesem Fall nur noch ein gemeinsames Sicherheitsventil vorgeschaltet werden braucht.So that the two gas paths to the central nozzle and External nozzle can be regulated separately, are two Control valves provided that two together Safety valves are upstream. In an alternative Embodiment come two combined Safety / control valves are used, which in this case only a common safety valve upstream are needed.

Das Vorhandensein von zwei getrennt regelbaren Brennstoffzuführungen zum Injektorsystem kann vorteilhaft auch zu einer vorübergehenden Anfettung des Brennstoff- Luftgemisches beim Kaltstart des Gasbrenners genutzt werden.The presence of two separately controllable Fuel supplies to the injector system can be advantageous also for a temporary enrichment of the fuel Air mixture can be used when cold starting the gas burner.

drawing

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1a zeigt das Injektorsystem des Gasbrenners mit dem Düsensystem im Schnitt und den Eingangsbereich des Mischrohres in Seitenansicht, Fig. 1b eine alternative Ausführung einer Gaszufuhr und Fig. 1c eine alternative Ausführungsform des Düsensystems.Two embodiments of the invention are shown schematically in the drawing and explained in more detail in the following description. Fig. 1a shows the injector system of the gas burner with the nozzle system in section and the entrance area of the mixing tube in side view, Fig. 1b shows an alternative embodiment of a gas supply and Fig. 1c shows an alternative embodiment of the nozzle system.

Description of the embodiments

In einem ersten Ausführungsbeispiel hat das Injektorsystem eine zentrale Düse 10 mit Kreisquerschnitt, die von einer Ringdüse 12a konzentrisch umgeben ist. Die Ringdüse 12a hat einen größeren Austrittsquerschnitt als die zentrale Düse 10 und ist gegenüber dieser in Strömungsrichtung des Brennstoffs axial zurückversetzt.In a first embodiment, the injector system has a central nozzle 10 with a circular cross section, which is surrounded concentrically by an annular nozzle 12 a. The ring nozzle 12 a has a larger outlet cross section than the central nozzle 10 and is axially set back in relation to this in the flow direction of the fuel.

Die zentrale Düse 10 wird aus einem Gasverteilerrohr 18 gespeist, dem der Brennstoff über ein Regelventil 20 zugeführt ist. Die Ringdüse 12a ist mit einem Gasverteilerrohr 22 verbunden, in das der Brennstoff über ein Regelventil 24 gelangt. Die Regelventile 20 und 24, die mit dem gleichen Gas beaufschlagt werden, sind an ein Steuergerät 26 einer Verbrennungsregeleinrichtung angeschlossen, welches die Brenngaszufuhr in Abhängigkeit vom Lastzustand des Gasbrenners und/oder der verwendeten Gasart auf die beiden Düsen 10 und 12a verteilt.The central nozzle 10 is fed from a gas distributor pipe 18 , to which the fuel is supplied via a control valve 20 . The ring nozzle 12 a is connected to a gas distributor pipe 22 , into which the fuel passes via a control valve 24 . The control valves 20 and 24 , to which the same gas is applied, are connected to a control unit 26 of a combustion control device, which distributes the fuel gas supply to the two nozzles 10 and 12 a depending on the load state of the gas burner and / or the type of gas used.

Den beiden Regelventilen 20, 24 sind, wie Fig. 1a zeigt, gemeinsam zwei Sicherheitsventile 28, 30 vorgeschaltet, die u. a. bei einer Abschaltung des Gasbrenners die Dichtheitskontrolle übernehmen. In Fig. 1b ist eine zweite alternative Ausführungsform der Gaszufuhr dargestellt. Unter Beibehaltung der doppelten Sicherheit sind die beiden Ventile für die Gasverteilerrohre 18, 22 in diesem Fall als kombinierte Sicherheits/Regelventile 32, 34 ausgebildet, denen gemeinsam ein Sicherheitsventil 36 vorgeschaltet ist. As shown in FIG. 1a, the two control valves 20 , 24 are upstream of two safety valves 28 , 30 which, among other things, perform the tightness control when the gas burner is switched off. In Fig. 1b shows a second alternative embodiment of the gas feed is shown. While maintaining double the safety, the two valves for the gas distribution pipes 18 , 22 are in this case designed as combined safety / control valves 32 , 34 , which together are preceded by a safety valve 36 .

Bei entsprechender Auslegung des Austrittsquerschnitts der zentralen Düse 10 und deren Abstand zum Mischrohr 14 und bei einer entsprechenden Ausgestaltung des Eingangsbereichs 16 des Mischrohrs 14 werden über das Steuergerät 26 die Teilgasströme zu der zentralen Düse 10 und zu der Ringdüse 12a so aufgeteilt, daß sich die gewünschte Luftzahl λ ergibt, die damit über den gesamten Modulationsbereich des Gasbrenners konstant gehalten werden kann. Wird beispielsweise als Brennstoff Erdgas verwendet, so wird im Nennlastbetrieb des Gasbrenners nur die zentrale Düse 10 mit Brenngas beaufschlagt, während das Regelventil 24 für die Ringdüse 12a geschlossen ist. Bei abnehmender Brennerbelastung erfolgt über das Steuergerät 26 der Verbrennungsregeleinrichtung eine überproportionale Reduzierung des Massenstroms durch die zentrale Düse 10 und eine kontinuierliche Erhöhung des Anteils durch die Ringdüse 12a. Durch deren größeren Austrittsquerschnitt verschlechtert sich die Luftansaugung, wodurch der grundsätzlichen Luftzahlerhöhung bei Kleinlast entgegengewirkt und das gewünschte Brennstoff-Luftverhältnis konstant gehalten wird. Eine derartige Steuerung der Gaszufuhr kann in einer Kennlinie bzw. Kennlinienschar im Steuergerät 26 hinterlegt werden.With a corresponding design of the outlet cross section of the central nozzle 10 and its distance from the mixing tube 14 and with a corresponding configuration of the input area 16 of the mixing tube 14 , the partial gas flows to the central nozzle 10 and to the ring nozzle 12 a are divided via the control device 26 so that the Desired air ratio λ results, which can be kept constant over the entire modulation range of the gas burner. If, for example, natural gas is used as fuel, only the central nozzle 10 is supplied with fuel gas in the nominal load operation of the gas burner, while the control valve 24 for the annular nozzle 12 a is closed. When the burner load decreases, the control device 26 of the combustion control device causes a disproportionate reduction in the mass flow through the central nozzle 10 and a continuous increase in the proportion through the ring nozzle 12 a. Due to their larger outlet cross-section, the air intake deteriorates, counteracting the basic increase in the number of air at low loads and keeping the desired fuel-air ratio constant. Such control of the gas supply can be stored in a characteristic curve or family of curves in the control unit 26 .

Damit Luftzahländerungen auch aufgrund von einem Gasartenwechsel ausgeregelt werden können, ist in einem zweiten Verfahren zur Ansteuerung der Gasdüsen 10, 12a vorgesehen, daß die Brennerleistung sowohl im Teil- auch im Vollastbereich durch die Gaszufuhr über über die zentrale Düse 10 bestimmt wird. Die Gaszufuhr zur Ringdüse 12a erfolgt in Abhängigkeit von der während der Verbrennung erfaßten Luftzahl λ, die z. B. durch eine mit dem Steuergerät 26 verbundene und im Abgasweg angeordnete λ- Sonde 38 bestimmt werden kann. Dabei ist das System so ausgelegt, daß selbst im Nennlastbetrieb des Gasbrenners die Verbrennung bei einem Brenngas mit hoher Wobbezahl und damit hohem Verbrennungsluftbedarf (z. B. Erdgas H) überstöchiometrisch erfolgt, so daß die sich bei einem Gasartenwechsel auf ein Brenngas mit geringerem Verbrennungsluftbedarf (z. B. Erdgas L) ergebende Luftzahlerhöhung durch eine zusätzliche unterstöchiometrische Gasgemischzufuhr über die Ringdüse 12a auf einen optimalen Luftzahlwert heruntergeregelt wird. Ändert sich der Lastzustand des Brenners, kann ebenfalls über die Ringdüse 12a ein optimaler Luftzahlwert eingestellt werden. Damit gfs. verbundene Soll-Ist-Abweichungen in der Brennerleistung können korrigiert werden, indem die Vorlauftemperatur des Heizwassers oder die Raumtemperatur der zu beheizenden Räume als Stellgröße für die Brennerleistung verwendet werden.So that changes in the air ratio can also be corrected due to a change of gas type, in a second method for controlling the gas nozzles 10 , 12 a it is provided that the burner output is determined both in the partial and full load range by the gas supply via the central nozzle 10 . The gas supply to the ring nozzle 12 a takes place as a function of the air ratio λ detected during the combustion, which z. B. can be determined by a connected to the control device 26 and arranged in the exhaust gas λ probe 38 . The system is designed in such a way that even when the gas burner is operating at nominal load, the combustion of a combustion gas with a high Wobbe number and thus a high combustion air requirement (e.g. natural gas H) takes place more than stoichiometric, so that when changing the gas type to a combustion gas with a lower combustion air requirement ( z. B. natural gas L) resulting air ratio increase is regulated by an additional substoichiometric gas mixture supply via the ring nozzle 12 a to an optimal air ratio value. If the load state of the burner changes, an optimal air ratio can also be set via the ring nozzle 12 a. With that gfs. Associated target-actual deviations in the burner output can be corrected by using the flow temperature of the heating water or the room temperature of the rooms to be heated as a control variable for the burner output.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach Fig. 1c werden als Außendüse anstelle der Ringdüse 12a mehrere radial zur zentralen Düse 10 angeordnete Einzeldüsen bzw. Einzelbohrungen 12b eingesetzt. Die Summe der Austrittsquerschnitte der Einzeldüsen 12b ist ebenfalls größer als der Austrittsquerschnitt der zentralen Düse 10. Weiterhin sind die Einzeldüsen 12b wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1a gegenüber der zentralen Düse 10 in Strömungsrichtung des Brennstoffes axial zurückversetzt. Die Aufteilung der Gasströme kann auf die gleiche Art und Weise erfolgen, wie beim ersten Ausführungsbeispiel.In the second exemplary embodiment of the device according to FIG. 1 c, a plurality of individual nozzles or individual bores 12 b arranged radially to the central nozzle 10 are used as the outer nozzle instead of the ring nozzle 12 a. The sum of the outlet cross sections of the individual nozzles 12 b is also larger than the outlet cross section of the central nozzle 10 . Furthermore, the single nozzle 12 b 1a from the central nozzle 10 axially set back in the direction of flow of the fuel as in the embodiment of FIG.. The gas streams can be divided in the same way as in the first exemplary embodiment.

Claims

1. A method of operating an atmospheric gas burner for a heater, in particular with full premixing of fuel and combustion air, in which a gas stream dependent on the load state of the gas burner is injected into a mixing tube for generating a fuel gas / air mixture, characterized in that the change in the air intake characteristic of Gas flow is divided into several partial gas flows, which are determined depending on the load state of the gas burner and / or depending on the type of gas.

2. The method according to claim 1, characterized in that the distribution of the total flow of fuel gas into one Centrally aligned with respect to the mixing tube opening Part gas flow and not central to at least one other aligned partial gas flow takes place.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that to set a desired fuel Air ratio with increasing burner load on the centrally aligned partial gas flow is increased while the non-centrally aligned partial gas flow is reduced, and vice versa.

4. The method according to claim 3, characterized in that the division of the partial gas flows in a characteristic curve or Family of curves are stored.

5. The method according to claim 1 or 2, characterized in that to set a given fuel Air ratio with the centrally aligned partial gas flow increasing burner load, and vice versa, while the non-centrally aligned partial gas flow in Dependence on that recorded during the combustion Air number λ is determined.

6. Atmospheric gas burner for a heater, in particular with full premixing of fuel and air, the injector system is provided with means for influencing the intake characteristic and thus the fuel-air ratio, characterized in that the injector system is a combined arrangement of a central nozzle ( 10 ) and has at least one second outer nozzle ( 12 a, 12 b).

7. Gas burner according to claim 6, characterized in that the outlet cross section of the central nozzle ( 10 ) is smaller than the outlet cross section or the sum of the outlet cross sections of the outer nozzle ( 12 a, 12 b).

8. Gas burner according to claim 6 or 7, characterized in that the outlet opening of the outer nozzle ( 12 a, 12 b) is set back axially with respect to the central nozzle ( 10 ).

9. Gas burner according to one of claims 6 to 8, characterized in that the outer nozzle is designed as a concentric to the central nozzle ( 10 ) arranged ring nozzle ( 12 a).

10. Gas burner according to one of claims 6 to 8, characterized in that the outer nozzle consists of individual nozzles ( 12 b) arranged radially to the central nozzle ( 10 ).

11. Gas burner according to one of claims 6 to 10, characterized in that the control of the gas supply to the central nozzle ( 10 ) and to the outer nozzle ( 12 ) via two control valves ( 20 , 24 ), which together have two safety valves ( 28 , 30 ) are connected upstream.

12. Gas burner according to one of claims 6 to 10, characterized in that the control of the gas supply to the central nozzle ( 10 ) and to the outer nozzle ( 12 ) via two combined safety / control valves ( 32 , 34 ), which together a safety valve ( 36 ) is connected upstream.

13. Gas burner according to one of claims 6 to 10, characterized in that the distribution of the fuel supply to the central nozzle ( 10 ) and the outer nozzle ( 12 a, 12 b) provides a temporary enrichment of the fuel-air mixture when the gas burner is cold started.