AT406795B

AT406795B - Brenner für gas- und ölheizungskessel

Info

Publication number: AT406795B
Application number: AT211097A
Authority: AT
Original assignee: Schwarz A & Co
Priority date: 1997-12-15
Filing date: 1997-12-15
Publication date: 2000-09-25
Also published as: ATA211097A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner für Gas- und Olheizungskessel mit einem Brennerrohr mit einer stirnseitigen Durchlassoffnung und einem darin befindlichen im vorderen Bereich kegelstumpfförmigen Innenrohr, in dem wiederum ein koaxiales Düsenrohr mit einer Brennstoffzufuhrung, beispielsweise eine Druckzerstäuberdüse angeordnet ist, wobei alle drei Rohre von Luft durchströmt werden und sich in Brennnchtung vor der Druckzerstäuberdüse eine Zündelektrode befindet und ein Drallerzeuger vorgesehen ist.

Drastisch verschärfte Schadstoffemissionsgrenzwerte in den Luftreinhalteverordnungen in immer mehr Staaten führen zu Forderungen nach Brennern mit äusserst geringer NOx-Abgabe.

Gleichzeitig besteht aufgrund der hochwärmegedämmten Gebäude besonders bei Einfamilienhäusern die Forderung nach niedrigen Heizleistungen des Brenners.

Die angestrebten niederen NOx-Werte können mit einem Brenner mit Gelbflamme nicht erreicht werden Es besteht daher seit längerer Zeit bereits das Bestreben, Brenner zu schaffen, die zumindestens teilweise mit einer Blauflamme brennen.

Ein Beispiel dafür ist der EP 0 537 491 A2 zu entnehmen Bei dem in dieser Patentanmeldung beschriebenen Brenner wurde vor der Brennerdüse eine mit Schlitzen versehene Stauscheibe angeordnet, wobei ein mit einer hinteren Abschlusswand versehenes Innenrohr mit seiner Mündung an der Stauscheibe anstösst. Mit einem derartigen Brenner wurden sehr gute Ergebnisse erzielt.

Um die Notwendigkeit einer Stauscheibe zu vermeiden, wurde gemäss der DE 44 16 650 A1 vorgeschlagen, in einem kegelstumpfförmigen Vormischbrenner tangentiale Lufteintrittsoffnungen vorzusehen, um die Brennluft mit einer Drallstörmung dem Vormischbrenner zuzuführen. Am Ende des Brenners kommt es zu einer Rückströmzone, in der die angestrebte homogene Brennstoffkonzentration weitgehend erreicht ist. An dieser Stelle entsteht eine stabile Flammfront
Ein Brenner der eingangs genannten Art ist aus der DE 32 28 452 A1 bekannt. In einem Ausführungsbeispiel dieser Druckschrift sind drei Rohre vorgesehen. Dabei weisen nur das innere Düsenrohr und das Brennerrohr eine hintere Luftzuführöffnung auf. Das Zwischenrohr ist hinten geschlossen ausgeführt und weist nur im vorderen Bereich des Mantels Luftdurchtrittsöffnungen auf.

Weiters ist der das Düsenrohr durchfliessende Luftstrom unverdrallt, während der aus dem Brennerrohr austretende Luftstrom im vorderen Bereich des Brennerrohres verdrallt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brenner der eingangs erwähnten Art dahingehend zu verbessem. Des weiteren soll mit dem erfindungsgemässen Brenner ein Dauerbetrieb mit niederer Heizleistung möglich sein, was mit den bekannten Vorrichtungen nicht möglich ist.

Die erfindungsgemässe Aufgabe wird dadurch gelöst, dass alle drei Rohre, mindestens eine hintere Luftzufuhröffnung aufweisen und dass sowohl im Düsenrohr als auch zwischen dem Düsenrohr und dem Innenrohr Drallerzeuger angeordnet sind, wobei die Drallstörmungen im Dusenrohr und im Innenrohr in der gleichen Drehrichtung verlaufen, während der Luftstrom zwischen dem Innenrohr und dem Brennerrohr unverdrallt geführt ist und dass an der Stirnseite des Brennerrohres über die Düsenmündung der Brennstoffzuführung vorstehende Sekundarluftrohre angeordnet sind, die das Innenrohr ringförmig umgeben und die in ein vor dem Brennerrohr angeordnetes Rezirkulationsrohr ragen.

Durch die erfindungsgemässe Ausführung des Brenners wird insbesondere eine verbesserte Durchmischung der Rauchgase mit der Sekundärluft erzielt.

Vorteilhaft ist vorgesehen, dass ca. 50% der Verbrennungsluft über das Innenrohr und das Düsenrohr in einer Drallströmung der Brennkammer zugeführt werden und ca. 50% über die Sekundärluftrohre unverdrallt als Sekundärluft.

Die Vermischung der Rauchgase mit der Sekundärluft wird in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weiters dadurch verbessert, dass im Rezirkulationsrohr vor den Sekundärluftrohren eine gelochte ringförmige Scheibe angeordnet ist. Vorteilhaft ist dabei vorgesehen, dass die Anzahl der Löcher in der Scheibe gleich der Anzahl der Sekundärluftrohre ist und dass die Löcher in der Scheibe mit den Sekundänuftrohren fluchten.

Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren der beiliegenden Zeichnungen eingehend beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen Olbrenner, die Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässen Gasbrenner, die Fig. 3 zeigt eine Stirnansicht des Brenners, die Fig. 4 zeigt einen Schnitt nach der Linie B-B der Fig 1,

die Fig 4a zeigt einen ausschnittsweisen Längsschnitt durch das Innenrohr und das Düsenrohr im Bereich zweier Luftzuführöffnungen, die Fig. 5 zeigt einen Schnitt nach der Linie A-A der Fig 1, die Fig 6 zeigt einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemassen Brenners, die Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf eine Scheibe, die Fig. 8 zeigt eine Seitenansicht der Scheibe, die Fig. 9 zeigt einen Längsschnitt durch den Brenner im Bereich des ionisationsfühlers, die Flg.

10a-10d zeigen schematisch und in Seitenansicht verschiedene Ausführungsformen der Sekundarluftrohre und die Fig 11 zeigt einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Brenners.

Der erfindungsgemässe Brenner weist ein zylindrisches Brennerrohr 1 auf. Im vorderen Bereich des Brennerrohres 1 ist die Druckzerstäuberdüse 5 mittig angeordnet. Koaxial zur Druckzerstäuberdüse 5 und zum Brennerrohr 1 sind beim vorderen Ende der Druckzerstäuberdüse 5 ein Düsenrohr 7 und ein das Dusenrohr 7 umgebendes Innen rohr 2 vorgesehen.

Das Innenrohr 2 weist einen vorderen kegelstumpfförmigen Bereich 2'und einen hinteren zylindrischen Bereich 2" auf Ebenso ist das Düsenrohr 7 mit einem vorderen kegelstumpfförmigen Bereich 7'und einem hinteren zylindrischen Bereich 7"ausgeführt. Der vordere kegelstumpfformige Bereich 7'deckt die Druckzerstäuberdüse 5 vorne teilweise ab.

Sowohl das Innenrohr 2 als auch das Düsenrohr 7 sind an ihren hinteren Enden mit einer abschliessenden Wand 8,9 versehen.

Das Innenrohr 2 weist eine vordere Auslassöffnung 3 und das Düsenrohr 7 eine vordere Auslassöffnung 4 auf. Die Auslassöffnungen 3,4 befinden sich im Ausführungsbeispiel in einer Ebene, wobei jedoch eine Toleranzgrenze von 3 mm gegeben ist.

Das Brennerrohr 1 ist an seinem vorderen Ende mit einer planen Stirnwand 6 versehen. Die kegelstumpfförmigen Abschnitte 2', 7'des Innen rohres 2 und des Düsenrohres 7 ragen aus dem Brennerrohr 1 heraus. Im Ausführungsbeispiel ist das Brennerrohr 1 zweiteilig ausgeführt, und zwar mit einem an die Stirnwand 6 anschliessenden Rohransatz l'und einem Verlängerungsrohr 1". Der Rohransatz l'ist im Verlängerungsrohr 1" verschiebbar und somit sein Abstand zum Rezirkulationsrohr 14 einstellbar.

In der Stirnwand 6 des Brennerrohres 1 sind zwei Zündelektroden 11 und ein lonisationsfühler 24 gelagert.

Die Stirnwand 6 ist mit kreisförmig angeordneten Sekundärluftrohren 20 für die Zufuhr von Sekundärluft in den Flammbereich 17 versehen Die Sekundärluftrohre 20 ragen in das Rezirkulationsrohr 14 hinein Die von ihren zugeführte Luft vermischt sich mit den rezirkulierten Rauchgasen 23 und bringt diese Mischung bis an den Flammbereich 17. Wie in den Fig. 10a-10d gezeigt, können die zum Flammbereich 17 weisenden Enden der Sekundärluftrohre 20 unterschiedlich ausgebildet sein.

So ist das freie in das Rezirkulationsrohr 14 vorstehende Sekundärluftrohrende in Fig 10a abgewinkelt oder in Fig. 10b konisch verjüngt, in Fig. 10c konisch erweitert und in Fig. 10d stufenförmig erweitert.

Im Ausführungsbeispiel nach der Fig. 11 sind die Sekundärluftrohre 20 an ihrem Mantel jeweils mit einem Loch 31 versehen. Die Löcher 31, die stromaufwärts von den Auslassöffnungen 3,4 angeordnet sind, sind vorzugsweise entweder zur Mitte des Brenners, d. h. zur Druckzerstäuberdüse 5 oder in Drallrichtung ausgerichtet
Im zylindrischen Mantel des Innenrohres 2 ist ein Drallerzeuger vorgesehen, der von schrägen Luftzuführöffnungen 12, beispielsweise Bohrungen oder Stanzlöcher, gebildet wird. Ebenso weist der zylindrische Mantel des Düsenrohres 7 schräge Luftzuführöffnungen 13 auf, die die Funktion eines Drallerzeugers erfüllen. Die Luftzuführöffnungen 12,13 liegen jeweils in einer Ebene und sind schräg zur Radialachse der Rohre 2,7 ausgebildet.

Derartige Luftzuführöffnungen 12, 13 werden auch als Tangentialöffnungen bezeichnet, obwohl sie nicht auf einer Tangente des Rohrmantels liegen.

Anstelle der schräg ausgerichteten Luftzuführöffnungen 12,13 im Rohrmantel könnte die Drallerzeugung auch durch die Anordnung von Lamellen im Innenrohr 2 und im

Düsenrohr 7 erfolgen, wobei die Luftzufuhr zu den Rohren 2,7 vorzugsweise nicht über den
Rohrmantel sondern uber Öffnungen an den hinteren Stirnseiten erfolgen wurde.

Mit dem erfindungsgemässen Brenner wird die von einem Gebläse in das Brennerrohr 1 eingeleitete Verbrennungsluft geteilt Ca 50 % werden als Primärluft durch das Innenrohr 2 und das Düsenrohr 7 geführt, wobei in jedem Rohr 2,7 eine Drallströmung erzeugt wird und die Verbrennungsluft bei den Auslassöffnungen 3,4 mit zwei gleichgerichteten überkritischen Drallströmungen austritt. Dabei ist die Drallströmung, die aus dem Innenrohr 2 austritt, stark uberkritisch, wahrend die Drallströmung der Verbrennungsluft, die aus dem Düsenrohr 7 austritt, nur leicht überkritisch ist. Die restlichen 50 % der Verbrennungsluft werden aus dem Brennerrohr 1 in einer Linearströmung durch die Sekundärluftrohre 20 an den Randbereich der Flamme abgegeben.

Vor dem Brennerrohr 1 ist ein Rezirkulationsrohr 14 angeordnet. Das Rezirkulationsrohr 14 befindet sich unmittelbar vor der Auslassoffnung der Druckzerstäuberdüse 5 und weist eine Länge auf, die nicht länger ist als die Hälfte seines Durchmessers.

Vorzugsweise ist der Durchmesser des Rezirkulationsrohres 14 gleich oder geringer als der Durchmesser des Brennerrohres 1.

Im Ausführungsbeispiel nach der Fig 6 ist vor den Sekundarluftrohren 20 im Rezirkulationsrohr 14 eine ringförmige Scheibe 27 angeordnet. Die ringförmige Scheibe 27 weist eine innere Öffnung 28 auf und ringförmig angeordnete Öffnungen 29 Dabei befindet sich jede Öffnung 29 vor einem Sekundärluftrohr 20. Der Durchmesser der Öffnungen 29 ist geringfugig grösser als der Durchmesser der Sekundärluftrohre 20
Im gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Löcher 29 einen gebördelten Rand 30 auf. Es wäre jedoch auch möglich, die Löcher 29 mit einem glatten Rand auszuführen.

Durch die Scheibe 27 wird die Vermischung der Sekundärluft mit den rezirkulierten Rauchgasen nochmals intensiviert.

Die Querschnitte der Luftzufuhroffnungen 12,13 sind so gewählt, dass der Gesamtquerschnitt der Luftzuführöffnungen 12 gleich dem Ringquerschnitt der Auslassoffnung 3 ist, wahrend der Ringquerschnitt zwischen dem Düsenrohr 7 und der Druckzerstäuberdüse 5 bei der Auslassöffnung 4 eine Flache aufweist, die der Hälfte des Gesamtquerschnittes der Luftzuführöffnungen 13 entspricht. Der Gesamtquerschnitt der Luftzuführöffnungen 12 kann jedoch auch grosser sein als der Ringquerschnitt der Auslassöffnung 3 und der Ringquerschnitt zwischen der Druckzerstäuberdüse 5 und dem Düsenrohr 7 kann zwischen 40 und 70 % des Gesamtquerschnittes der Luftzuführoffnungen 13 des Düsenrohres 7 liegen.

Durch die Bauform des erfindungsgemässen Brenners wird im Innenrohr 2 und im Düsenrohr 7 ein überkritischer Drall erzeugt. Durch den überkritischen Drall entsteht durch den sogenannten Vortex-breakdown-Effekt eine starke Rückströmung im Zentrum 15. Durch den starken Rückstrom wird Brennstoff wieder zurück in der Richtung der Druckzerstäuberdüse 5 transportiert. Dass diese durch die Öl- und Rauchgasrückstände nicht verschmutzt, wird durch die aus dem Düsenrohr 7 in einer Drallstörmung austretenden Verbrennungsluft verhindert.

Der erfindungsgemässe Ölbrenner zündet mit einer Gelbflamme im Bereich 16 unmittelbar vor der Druckzerstäuberdüse 5 bzw. den Auslassöffnungen 3,4, mit der die Vergasung des Brennstoffes in Bruchteilen von einer Sekunde eingeleitet und anschliessend durch die interne Flammenrückströmung aufrechterhalten wird. Zur Einleitung der Brennstoffvergasung wird keine zusätzliche Fremdenergie benötigt. Die Vergasung und Vermischung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft und den heissen Rauchgasen erfolgt durch den stark überkritischen Hauptdrall, der aus dem Innenrohr 2 austritt und der durch den sogenannten Vortex-breakdown-Effekt die starke Flammenrückströmung mit einem intensiven Stoffaustausch erzeugt. In der Folge brennt die Flamme in einem stark ausgeprägten Randbereich 17 blau.

Damit die Flamme zündfreudig und stabil brennt, wird nur 50 % der Verbrennungsluft über die schrägen Luftzuführöffnungen 12,13 und die Rohre 2,7 verdrallt. Die restlichen 50 % strömen als Sekundärluft durch die Sekundärluftrohre 20 unmittelbar in den blau-brennenden Randbereich 17 der Flamme.

Die Druckzerstäuberdüse 5 ist vorzugsweise mit einer Vorwärmeeinrichtung für das durchfliessende Heizöl-Leicht ausgestattet.

Der Gasbrenner gemäss der Fig 2 unterscheidet sich lediglich durch die Düse 18, wobei das Gas nicht an der Spitze sondern über Öffnungen 19 seitlich in den zylindrischen Abschnitt des

Düsenrohres 7 austritt Die Flamme wird erfindungsgemäss durch einen 10nisationsfiJhler 24 überwacht, dessen Ende in den Flammbereich 17 hineinragt.

Gelagert ist der lonisationsfühler 24 in herkommlicher Weise in einem Porzellansockel 25 Dieser Porzellansockel 25 befindet sich jedoch zur Gänze im Brennerrohr 1, der lonisationsfühler 24 ragt durch ein Loch 26 in der Stirnwand 6 des Brennerrohres 1.

Da sich das Ende des Porzellansockels 25 an der von der Flamme abgewendeten Seite der Stirnwand 6 befindet und der lonisationsfühler 24 im Bereich des Loches 26 von Luft umspült wird, kommt es zu keiner Belagsbildung am Porzellansockel 25, und eine dauerhafte Funktion des lonisationsfühlers 24 ist gewährleistet.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Brenner für Gas- und Ölheizungskessel mit einem Brennerrohr mit einer stirnseitigen
Durchlassöffnung und einem darin befindlichen im vorderen Bereich kegelstumpfförmigen
Innenrohr, in dem wiederum ein koaxiales Düsenrohr mit einer Brennstoffzuführung, beispielsweise eine Druckzerstäuberdüse angeordnet ist, wobei alle drei Rohre von Luft durchströmt werden und sich in Brennrichtung vor der Druckzerstäuberdüse eine
Zündelektrode befindet und ein Drallerzeuger vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass alle drei Rohre (1,2, 7), mindestens eine hintere Luftzufuhröffnung aufweisen und dass sowohl im Düsenrohr (7) als auch zwischen dem Düsenrohr (7) und dem Innenrohr (2)
Drallerzeuger angeordnet sind, wobei die Drallstörmungen im Düsenrohr (7) und im
Innenrohr (2) in der gleichen Drehrichtung verlaufen,

während der Luftstrom zwischen dem
Innenrohr (2) und dem Brennerrohr (1) unverdrallt geführt ist und dass an der Stirnseite des
Brennerrohres (1) über die Düsenmündung der Brennstoffzuführung vorstehende
Sekundärluftrohre (20) angeordnet sind, die das Innenrohr (2) ringförmig umgeben und die in ein vor dem Brennerrohr (1) angeordnetes Rezirkulationsrohr (14) ragen.

Claims

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger in mindestens einem der Rohre (2,7) von vorzugsweise mehreren tangentialen Luftzuführöffnungen (12, 13) gebildet wird.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger in beiden Rohren (2, 7) von mehreren tangentialen Luftzuführöffnungen (12,13) gebildet wird, wobei der Gesamtquerschnitt aller Luftzuführoffnungen (12) des Innenrohres (7) gleich oder grösser als der Ringquerschnitt der Auslassöffnung (3) des Innenrohres (2) und der Gesamtquerschnitt der Luftzuführöffnungen (13) des Düsenrohres (7) gleich oder grösser als der Ringquerschnitt der Auslassoffnung (4) des Düsenrohres (7) ist.

4. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringquerschnitt bei der Auslassöffnung (4) des Düsenrohres (7) zwischen 40% und 70%, vorzugsweise 50% des Gesamtquerschnittes der Luftzuführöffnungen (13) des Düsenrohres (7) beträgt.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung (3) des Innenrohres (2) und die Auslassöffnung (4) des Düsenrohres (7) in einer Ebene liegen, bei einer Toleranzgrenze von 3 mm.

6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (2) und das Düsenrohr (7) an ihrem hinteren Ende geschlossen sind.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ca. 50% der Verbrennungsluft über das Innenrohr (2) und das Düsenrohr (7) in einer Drallströmung der Brennkammer zugeführt werden und ca. 50% über die Sekundärluftrohre (20) unverdrallt als Sekundärluft.

8. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Rezir- kulationsrohres (14) kleiner als dessen Durchmesser ist, vorzugsweise in etwa dem halben Durchmesser entspricht.

9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Sekundärluftrohre (20) bei ihren Auslassöffnungen trichterförmig erweitern.

10. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens <Desc/Clms Page number 5> eines der Sekundärluftrohre (20) ein abgewinkeltes Ende aufweist 11. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die abgewinkelten Enden der Sekundärluftrohre (20) in der Drallrichtung des Innenrohres (2) ausgerichtet sind 12 Brenner nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Rezirkulationsrohres (14) gleich dem Durchmesser des Brennerrohres (1) ist. EMI5.1 Rezirkulationsrohr (14) vor den Sekundärluftrohren (20) eine gelochte ringförmige Scheibe (27) angeordnet ist.

15 Brenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der ringförmigen Löcher (29) in der Scheibe (27) gleich der Anzahl der Sekundarluftrohre (20) ist und dass die Löcher (29) in der Scheibe (27) mit den Sekundärluftrohren (20) fluchten.

16. Brenner nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesser der Locher (29) in der Scheibe (27) grösser sind als die Durchmesser der Auslassöffnungen der Sekundärluftrohre (20).

17 Brenner nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder (30) der Löcher (29) in der Scheibe (27) gebördelt sind 18 Brenner nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Scheibe (27) auf Bolzen gelagert ist, die von der Stirnwand (6) des Bren- nerrohres (1) abstehen.

19 Brenner nach einem der Anspruche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluftrohre (20) mindestens ein seitliches Loch (31) aufweisen.

20 Brenner nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Löcher (31) zur Mitte des Brenners gerichtet sind.

21. Brenner nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Löcher (31) in der Drallrichtung ausgerichtet sind.