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Die Erfindung betrifft einen vollvormischenden Gas-Gebläse-Strahlungsbrenner gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.
Aus der EP 602 831 A1 ist eine relativ dicke Brennerplatte bekannt, die von feinen Gemischführungskanälen entsprechender Länge durchsetzt ist. Schwingungen, Resonanzeffekte und akustische Abstrahlungen werden dadurch vermieden. Ausserdem ergibt sich eine Verminderung der Emission unverbrannten Gases und eine Verminderung der Flammenrückschlagsgefahr.
Strahlungsbrenner zeichnen sich per se durch eine niedrige Schadstoffemission aus. Dennoch besteht das Erfordernis, die Umweltfreundlichkeit permanent zu verbessern, wobei über einen langen Zeitraum gleichbleibend gute Emissionswerte anzustreben sind. Alterserscheinungen, hohe thermische Belastungen, insbesondere der Brennerfläche, und hohe Anfahremissionen sind dabei unbedingt zu vermeiden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strahlungsbrenner der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, der sich durch einen besonders stabilen und wartungsarmen Aufbau sowie durch in jedem Betriebszustand geringe Schadstoffemission auszeichnet.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
Durch die Füllkörperform ergeben sich Vorteile sowohl hinsichtlich der Stabilität und Alterungsbeständigkeit des Brenners als auch hinsichtlich der Schadstoffreduktion. Die Gemischführungskanäle, die den Füllkörper durchsetzen, besitzen ein derart geringes Durchströmungsvolumen, dass sich nur eine sehr geringe Menge unverbrannten Brennstoffgemisches im Brennerkopf befinden kann. Nur diese geringe Menge kann unter widrigen Umständen, zum Beispiel bei Abschaltung des Brenners, unverbrannt die Verbrennungszone passieren und durch die üblicherweise vorhandene Abgasanlage in die Atmosphäre entweichen.
Auch die Gefahr des Flammenrückschlagens besteht bei dem beanspruchten Brennerkopfaufbau quasi nicht mehr, da ein Zurückschlagen der Flammen von der permeablen Haube durch die Kanäle des Füllkörpers und durch den Vormischraum bis zu einer in diesen hineinragenden Gasdüse kaum möglich ist.
Die konkave Ausbauchung begrenzt zusammen mit einer von der Gasdüse durchsetzten Stauscheibe einen im wesentlichen kugelkalottenförmigen, insbesondere halbkugelförmigen, Vormischraum. Ein derartiger Vormischraum bietet Gewähr für eine gleichmässige Aufteilung des Gemisches auf die einzelnen Kanäle, so dass eine über die gesamte Brennerfläche gleichmässige und gute Verbrennungsqualität sichergestellt ist.
Ausserdem ergibt sich der Vorteil einer einfachen Formgebung des Füllkörper. Andere Brennerbauteile lassen sich besonders vorteilhaft mit dieser Füllkörperform kombinieren, wie weiter unten ausgeführt.
Des weiteren gestattet diese Füllkörperform eine einfache Kanalführung, bevorzugt radialstrahlenartig gemäss Anspruch 2.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Brennerkopfes ist durch die Merkmale des Anspruchs 3 gegeben.
Dabei wirkt sich die spezielle Füllkörperform gemäss Anspruch 1 vorteilhaft aus. Die konvexe Stirnflächen- wölbung des Füllkörpers wird bei jeweils konstanten Abständen der Drosselhaube, der Verteilhaube und der permeablen Haube von der Füllkörperoberfläche durch den Stirnflächenteil der drei Hauben wiederholt.
Auf diese Weise sind auch die Hauben gegen unkontrollierte thermische Effekte geschützt. Verwerfungen, Verbeulungen oder dergleichen können nicht auftreten, da die Stirnf) ächenwö) bung Expansions-und Kontraktionsprozesse in gleichmässiger Weise ausgleicht.
Die Hauben sind bevorzugt zweiteilig gemäss Anspruch 4 aufgebaut. Dadurch ergibt sich eine besonders einfache Herstellungstechnoogie. Um bei einem solchen zweiteiligen Aufbau der Hauben möglichst kurze Schweissnähte zu erhalten, sollte die Haubengeometrie den Merkmalen des Anspruchs 5 entsprechen.
Die Merkmale des Anspruchs 6 tragen zu einem weiteren Abbau der Empfindlichkeit der Hauben gegenüber thermischen Ausdehnungsphänomenen bei. Die Drahtfasern verlaufen bewusst nicht in Umfangsrichtung oder in Längsachsenrichtung der Haube, so dass Durchmesser- und Längenkontraktionen verringert werden. Um Spannungen noch besser aufzunehmen, kann ausserdem das elastische Verhalten der Webart der Drahtfasern verbessert werden, indem statt der üblichen Leinenbindung eine Köperbindung verwendet wird.
Durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 7 ergibt sich ein besonders stabiler und wartungsarmer Aufbau des Strahlungsbrenners. Ein Korrodieren des Brennerkopfes wird weitgehend vermieden, da durch die hohlkegelstumpfförmige Begrenzung stehendes Kondensat, das die Korrosion im wesentlichen verursacht, nicht auftreten kann. Die Kegelform bewirkt einen Ablauf des Kondensates. Ausserdem wird einer thermisch bedingten Verformung des Brennerkopfes entgegengewirkt und bei entsprechender Materialwahl und Dimensionierung eine Versteifung erzielt. Die Tropfkante verhindert, dass Kondensat auf der Begrenzung (37) stehenbleiben kann.
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Um das Ablösen und Reissen des Drahtgewebes der permeablen Haube zu verhindern, sind Ausbildungen des Strahlungsbrenners mit den Merkmalen der Ansprüche 8 bis 10 besonders vorteilhaft.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand figürlicher Darstellungen näher erläutert.
Es zeigen :
Fig. 1 einen Strahlungsbrenner in Seitenansicht und teilweise im Schnitt,
Fig. 2 einen ähnlichen Strahlungsbrenner wie Fig. 1 in ähnlicher Darstellungsweise,
Fig. 3 den Brennerkopfbereich des Brenners gemäss Fig. 2 in Vergrösserung und
Fig. 4 den Faseraufbau einer permeablen Haube,
Fig. 4 a eine Leinenbindung,
Fig. 4 b eine Köperbindung und
Fig. 5 bis 7 weitere Strahlungsbrenner.
In den Fig. 1 und 2 dargestellte Strahlungsbrenner bestehen im wesentlichen aus Bauteilen 1 zur Gasund Luftzuführung, die an einem Türelement 2 befestigt sind und aus einem Brennerkopf 3 mit Kanälen 4 zur Gemischführung und mit einer permeablen Haube 5 zur flammlosen Strahlungsverbrennung. Das Türelement 2 ist lösbar mit dem Gehäuse eines Heizkessels verbindbar. Dazu ist das im wesentlichen kreisscheibenförmige Türelement 2 mit Randflanschen 6 oder mit einem Klapp- beziehungsweise Schwenkmechanismus verbunden. Die ausserhalb des Kessels befindlichen Bauteile 1 zur Gas-und Luftzuführung sind gasseitig durch eine Regelarmatur 7 mit in eine Vormischkammer 9 hineinragender Gasdüse 8 und luftseitig durch ein Gebläse 10, dessen Druckseite der Vormischkammer 9 zugewandt ist, gebildet. Das Gebläse 10 wird von einem Motor 11 (Fig. 2) angetrieben.
An der kesselabgewandten Seite des Türelemen- tes 2 können weiterhin ein Stellmotor 13 mit Luftverstellschraube 14 sowie ein in die Vormischkammer 9 hineinragender Luftdruck-Messnippel 15, eine Zündeinrichtung 12 und eine Überwachungseinrichtung (verdeckt) angeordnet sein. Die Vormischkammer 9 ist bevorzugt durch ein in einer zentralen Bohrung des Türelementes 2 angeordnetes Mischrohr 16 (Fig. 2) radial begrenzt. Der eigentliche Vormischraum 17, in den das Ausströmende der Gasdüse 8 hineinragt, ist durch eine Stauscheibe 18 von einem Luftraum 19, der mit dem Gebläse 10 in Verbindung steht, getrennt.
Dem Kesselinneren zugewandt ist das Türelement 2 mit dem Brennerkopf 3 verbunden. Denkbar wäre auch eine einstückige Ausbildung einer Türelement-/Brennerkopf-Baugruppe. Der Brennerkopf 3 weist einen keramischen Füllkörper 20 auf, den Kanäle 4 zur Führung des Gemisches vom Vormischraum 17 in einen Verteilraum durchsetzen. Vormischraumseitig ist der Füllkörper 20 mit einer halbkugelförmigen Ausnehmung 22 versehen, von welcher die Kanäle 4 radialstrahlenartig ausgehen. Brennraumseitig ist der Füllkörper 20 zylinderförmig mit leicht konvexer Stirnflächenwölbung ausgebildet. Die Kanäle 4 münden dabei sowohl in der Mantelfläche 23 als auch in der Stirnfläche 24 des Füllkörper 20.
In annähernd konstantem Abstand von der Füllkörperperipherie ist eine Drosselhaube 25 übergestülpt, über die wiederum eine Verteilhaube 26 und als Brennerkopfbegrenzung die permeable Haube 5 übergestülpt sind.
Die Drosselhaube 25 und die Verteilhaube 26 bieten dem durch die Kanäle 4 anströmenden Gemisch einen definierten Widerstand, wodurch die Druckverteilung der Gas-Luft-Mischung vergleichmässigt wird und Strömungsgeräusche reduziert werden. Um letzteres zu erreichen, ist die Drosselhaube 25 mit Lochungen 27 (Fig. 3) eines bestimmten Öffnungsquerschnittes versehen. Die Drosselhaube 25 kann auch aus mehreren Einzelhauben 28 und 29 (Fig. 3) bestehen, welche einen bestimmten Abstand voneinander aufweisen und deren Lochungen 27 (Fig. 3) zueinander versetzt sein können. Um Strömungsgeräusche noch weiter herabzusetzen, können die Haubenoberflächen uneben ausgebildet sein.
Die Fü ! ! körpergeometrie. der Durchmesser der Kanäle 4 sowie die Anordnung der Hauben 25,26 und 5 gewährleisten, dass ein möglichst geringes Volumen vorgemischten und damit brennbaren Gases innerhalb des Brennerkopfes 3 vorhanden ist. Das Rückschlagrisiko von der Verbrennungszone 21 durch den Brennerkopf 3 hindurch und damit die Gefahr eines Düsenbrandes wird damit ebenfalls weitgehend reduziert. Ausserdem steht durch die engen und kurzen Strömungswege innerhalb kürzester Zeit in der Verbrennungszone 21 ein zündfähiges Gemisch zur Verfügung. Emissionen von Schadstoffen in der instationären Betriebsphase, das heisst während der Start- und Ausschaltphase des Brenners, werden ebenfalls reduziert.
Vorzugsweise besteht der Füllkörper 20 aus einem Material mit geringem Ausdehnungskoeffizienten, insbesondere aus Keramik, um eine Veränderung der freien Strömungsquerschnitte bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen und unterschiedlicher thermischer Belastung zu verhindern.
Die leicht konvexe Wölbung der Haubenstirnflächen hat den Vorteil, dass bei thermischer Ausdehnung die Ausdehnungsrichtung vorgegeben ist, so dass ein unkontrolliertes Beulen und Verwerfen der Hauben 25, 26 und 5 unterbleibt.
Wie Fig. 3 veranschaulicht, sind die Drosselhaube 25 und die Verteilhaube 26 zweiteilig ausgeführt, wobei ein Hohlzylinderteil 25 a beziehungsweise 26 a und ein Stirnflächenteil 25 b beziehungsweise 26 b
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miteinander verschweisst sind. Der Hohlzylinderteil 25 a beziehungsweise 26 a kann dabei aus einem rechteckigen Rohteil gewickelt und entlang einer Längsnaht verschweisst sein. Die so entstandenen Hauben 25 und 26 können an ihren Aufstandsenden nach aussen umgebogene flanschartige Krägen 30 und 31 aufweisen, welche in umlaufende Vertiefungen oder Ausformungen 32 und 33 einer mit dem Türelement 2 verbundenen Trägerplatte 34 eingreifen. Die relativ steifen Hauben 25 und 26 lassen sich durch geringfügige Spreizung in den Ausformungen 32 und 33 fixieren. Zusätzlich oder alternativ können auch Schweissnähte vorgesehen sein.
Die Haubengeometrie bei der oben beschriebenen zweiteiligen Ausführung ist bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Haubendurchmesser zur Haubenlänge zwischen 0, 7 und 4 liegt. Dadurch ergibt sich eine geringe Länge der Schweissnähte. Das Schweissverfahren lässt sich dabei derart gestalten, dass keine Verwerfungen der zu verschweissenden Teile, insbesondere von Hohlzylinderteil 25 a beziehungsweise 26 a und Stirnflächenteil 25 b beziehungsweise 26 b der Hauben 25 und 26, auftreten und dass die Oberfläche sowie der freie Öffnungsquerschnitt für den Gemischstromdurchtritt nicht beeinträchtigt werden.
Die permeable Haube 5 gemass Fig. 4, an der die Verbrennung erfolgt, und gegebenenfalls auch die Drosselhaube 25 und/oder die Verteilhaube 26, bestehen vorzugsweise aus Drahtgewebe. Die Drahtfasern 35 der Mantelflächen sind dabei vorzugsweise nicht in Umfangsrichtung oder in Richtung der Mantellinien ausgerichtet, sondern schliessen mit der Längsachse 36 der Haube 5 beziehungsweise 25 oder 26 einen Winkel von 35. bis 55. ein. Die Fasern 35 erstrecken sich also annähernd diagonal und nicht parallel zu den Mantellinien und zum Umfang. Auf diese Weise werden unterschiedliche thermische Ausdehnungen in Richtung der Mantellinien und in Umfangsrichtung ausgeglichen. Um diesen Effekt noch zu verbessern. kann das Gewebe der Drahtfasern 35 anstatt der in Fig. 4 a dargestellten Leinenbindung eine Köperbindung gemäss Fig. 4 b aufweisen.
Dadurch ergibt sich eine höhere Elastizität des Drahtgewebes, wodurch Spannungen besser aufgenommen beziehungsweise ertragen werden.
Das Drahtgittermaterial für die permeable Haube 5 ist bevorzugt eine Chrom-Aluminium-Verbindung.
Die erforderliche hohe Temperaturbeständigkeit und eine ausreichende Biegefestigkeit sind damit gewährleistet.
Fig. 5 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Brennerkopfes. Ein Füllkörper 20, Fig. 1 bis 3, ist hier nicht vorgesehen. Zur Vereinfachung der Drosselhaube 25 und der Verteilhaube 26 ist deren Stirnseite eben und nicht gewölbt ausgebildet. Die Einbaulage dieses Brenners, der in etwas abgewandelter Form auch in Fig. 6 dargestellt ist. ist gegenüber der Vertikalen geneigt. Beiden Ausführungsformen gemeinsam ist weiterhin die oberseitig hohlkegelstumpfförmige Begrenzung 37 des Brennerkopfes 3. Ein Kondensatablauf wird damit erleichtert, so dass die Korrosionsgefahr verringert wird. Ausserdem ergibt sich eine Versteifung des Brennerkopfaufbaus.
Fig. 5 zeigt weiterhin am äusseren peripheren Rand der Begrenzung 37 die Anordnung einer Tropfkante 38. durch die das Kondensat zur tiefsten Stelle läuft und dort abtropft, ohne dass die von stehendem Kondensat besteht. Die permeable Haube 5 weist einen Flanschrand 39 auf, der von der Tropfkante 38 übergriffen ist und der von der Verbrennungszone 21 beabstandet angeordnet ist. Durch die Beabstandung ist die thermische Beeinflussung aufgrund der heissen Verbrennungszone 21 im Bereich der Befestigung der permeablen Haube verringert. Verwerfungen, Risse und Ablösungen der permeablen Haube 5 sind auf diese Weise ausgeschlossen.
Den gleichen Zweck erfüllt auch die in der Fig. 6 dargestellte Dehnungssicke 40, die die permeable Haube 5 im randnahen Bereich umgibt. In diesem Fall kann die permeable Haube 5 mit der hohlkegelstumpfförmigen Begrenzung 37 des Brennerkopfes 3 am äusseren Rand verschweisst sein. In Fig. 6 ist ausserdem die Anordnung eines Plattenwärmetauschers 41 relativ zu einer topfförmigen Brennkammer 42, die die Verbrennungszone 21 umgibt, angedeutet.
Eine weitere Variante zur Vorbeugung gegen Verwerfungen, Risse und Ablösungen der permeablen Haube 5 wie auch einer diese, die Drosselhaube 25 und die Verteilhaube 26 aufnehmenden Ronde 43. veranschaulicht Fig. 7. Hier ist der Rand der permeablen Haube 5 mit einer Klammer 44 umgriffen, welche wiederum in eine Dichtung 45 eingebettet ist. Die Dichtung 45 ist mit thermischem Spiel zwischen einem peripheren Haltering 46 und einer Ausformung 47 des Randes der Ronde 43 gelagert. Die Verbindungsstelle zwischen dem Haltering 46 und der Ausformung 47 ist durch einen Dichtungsring 48 abgedichtet. Es ist ersichtlich, dass sowohl die Ronde 43 samt Ausformung 47 als auch der Rand der permeablen Haube 5 samt Klammer 44 und Dichtung 45 derart beweglich gelagert ist, dass thermische Ausdehnungsphänomene weitgehend aufgefangen werden.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das vorstehend angegebene Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche auch bei grundsätzlich anders gearteter Ausführung von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch machen.