CH663270A5 - Heizanordnung mit einem brenner und einem waermetauscher. - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizanordnung mit einem Brenner und einem Wärmetauscher bei der zwischen einem mit einer Endwand versehenen Hohlzylinder und einem koaxialen Einsatz ein von Einbauten freier Ringspalt gebildet ist, in dem die Verbrennungsgase vom Brenner zum Auslass strömen.
Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE-PS 2 624 617) ist der Ringspalt über den im Hohlzylinder angeordneten Wärmetauscher hinaus verlängert. Ein der Brennstoffzufuhr und -mischung dienendes Brennersystem speist Brennstoff und Verbrennungsluft etwa tangential in diese Ringspaltverlängerung ein. Die Fortsetzung des Einsatzes bildet hierbei ein zylindrischer Kern aus feuerfestem Material. Der Brenner kann so ausgelegt sein, dass die Verbrennungsgase anfänglich eine Strömungsgeschwindigkeit von mindestens 125 m/s haben. Trotz der hohen Geschwindigkeit ist eine sichere Zündung gewährleistet, weil sich eine schraubenförmige Strömung mit aufeinanderliegenden Strahlenwindungen ausbildet. Schwierigkeiten treten jedoch beim Anlauf auf. Die durch Funkenzündung jeweils gebildete Flamme ist wenig stabil und erlischt häufig unter der Abkühlung durch den zylindrischen Kern. Es ergeben sich starke Pulsationen und ein Ausstoss von Russ und unverbranntem Brennstoff. Erst wenn der Kern und der benachbarte Hohlzylinder eine ausreichend hohe Temperatur angenommen haben, zieht sich die Flammenspirale ausreichend zusammen, und die Pulsationen hören auf. Eine weitere Beschränkung liegt darin, dass zum Betrieb der Vorrichtung eine bestimmte Mindestleistung erforderlich ist.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die eine Anlaufphase mit reiner Flamme und ohne Pulsationen ermöglicht und bei der gleichzeitig die untere Leistungsgrenze erheblich gesenkt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 genannten Merkmale gelöst.
Bei dieser Konstruktion lässt sich der Brennstoff stöchio-metrisch russfrei verbrennen, bildet eine stabile, pulsations-freie Flamme und bringt den Brennerkopf rasch auf hohe Temperaturen. Dies wird durch die Beheizung unterstützt, durch die beispielsweise der Brennstoff auf höhere Temperaturen gebracht werden oder vergasen kann oder durch die ein Brennstoffgas-Luft-Gemisch auch gezündet werden kann. Die Rauchgase geben ihre Wärme im Ringspalt an den Wärmetauscher ab. Wenn hierbei sehr geringe Brennstoffmengen verfeuert werden, ist die Strömungsgeschwindigkeit entsprechend gering, und auf die Spiralbewegung der Gase im Ringspalt kann verzichtet werden. Wenn der Zentralbrenner bei grösseren Brennstoffmengen allein betrieben wird, sollten die in den Ringspalt umgeleiteten Verbrennungsgase eine ausreichende Rotation haben, die man durch tangentiale Luftzufuhr im Kanalsystem des Vergasungsbrenners und/oder entsprechende Leitschaufeln hervorrufen kann.
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Günstig ist es, wenn der Zentralbrenner ein Vergasungsbrenner ist, bei dem die Brennstoffaufbereitungskammer ein mit einer elektrischen Heizvorrichtung versehenes Vergasungsrohr ist. Es kann dann flüssiger Brennerstoff in der Brennstoffaufbereitungskammer vergast und anschliessend stöchiometrisch russfrei verbrannt werden.
Ein besonders sanftes Anfahren ergibt sich, wenn im Bereich der Mündung der Brennstoffaufbereitungskammer eine Glühzone vorgesehen ist, die mittels einer Heizvorrichtung zum Glühen gebracht wird. Wenn beim Anlauf der erste gasförmige Brennstoff zugeführt wird oder der erste Tropfen des flüssigen Brennstoffs in die Brennstoffaufbereitungskammer gelangt und dort vergast, vermischt sich das Gas mit der in der Brennstoffaufbereitungskammer befindlichen Luft. Das zündfähige Gemisch wird an der Glühzone gezündet. Die so gebildete Zündflamme wird von dem nachfolgenden Brennstoffgas in den Raum innerhalb des Brennerrohres hinausgeschoben. Sie zündet dann das aus dem nachfolgenden Brennstoffgas und der über das Kanalsystem zugeführten Verbrennungsluft gebildete Gemisch. Dieser Vorgang ergibt ein sehr sicheres Zünden bei blauer oder durchsichtiger Flamme.
Besonders empfehlenswert ist es jedoch, wenn das Brennerrohr aus einem Material besteht, das beim Betrieb des Vergasungsbrenners Glühtemperatur annimmt, und ein der Brennstoffzufuhr und -mischung dienendem Hauptbrenner zugeordneten Kanal, etwa tangential zum Ringspalt in Höhe des Brennerrohres angeordnet ist. Denn wenn das Brennrohr glüht, wird das Brennstoff-Luft-Gemisch, dass das Hauptsystem einspeist, sicher gezündet. Die Flamme ist stabil. Es treten keinerlei Pulsationen auf. Da eine Glühzündung sowohl beim Zentralbrenner als auch beim Hauptsystem erfolgt, kann die Mündung des Kanalsystems in den Raum innerhalb des Brennerrohres, dieser Raum und der Ringspalt von störenen Elementen für die Zündung freigehalten werden, so dass sich ein völlig rotationssymmetrisches Luftmuster ergibt. Die Glühzonen haben den weiteren Vorteil, dass im Falle des Abreissens der Flamme im Betrieb sowohl beim Zentralbrenner als auch beim Hauptsystem innerhalb der Sicherheitszeit ein Wiederanzünden erfolgt. Der Zentralbrenner kann nach der Anlaufphase in Abhängigkeit vom Brennstofftyp weiter in Betrieb gehalten oder vorzugsweise abgeschaltet werden. Die beiden Brennersysteme können daher gleichzeitig oder unabhängig voneinander arbeiten. Bei Verwendung beider Brennersysteme kann die Vorrichtung innerhalb eines bisher unerreicht grossen Leistungsbereichs betrieben werden, so dass der Modulationsbereich verdoppelt wird. Hierbei kann gasförmiger oder flüssiger Brennstoff unabhängig von der Brenn-stoffmenge verwendet werden. Insbesondere können mit dem der Brennstoffzufuhr und -mischung dienenden Hauptbrenner auch schwer brennbare Stoffe, wie zähflüssiges Heizöl, verschmutztes Öl oder Öl-Kohlen-Gemische (COM) stöchiometrisch verfeuert werden, und zwar herab bis zu einer Leistung von etwa 0,1 kg Brennstoff pro Stunde, was bisher nicht möglich war.
Vorzugsweise besteht das Brennerrohr aus einem dünnwandigen, keramischen Material. Infolgedessen ist schon nach sehr kurzer Zeit die Glühtemperatur erreicht.
Empfehlenswert ist ferner eine Leitvorrichtung zur Erzeugung eines äusseren Ringwirbels von Flammengasen mit einem Rückstrompfad längs des Innenumfangs des Brennerrohres. Dieser Ringwirbel schützt die frisch gebildete Flammen vor einer Abkühlung durch den Brennerkopf und erhöht dadurch die Stabilität der anfänglichen Flamme. Darüber hinaus sorgt er für eine sehr schnelle Erhitzung des Brennerrohres auf Glühtemperatur.
Die Leitvorrichtung kann mindestens einseitig eine konische Führungswand an der Mündung des Kanalsystems aufweisen, so dass die Verbrennungsluft in einem konischen Luftstrahl eingeleitet wird. Diese Strahlform führt zu einem äusseren Ringwirbel, der sich über die Flammenfront hinaus erstreckt und dann über einen verhältnismässig langen Weg längs des Innenumfangs des Brennerrohres zurückzirkuliert.
Günstig ist es, wenn die Mündung des Kanalsystems eine axial einstellbare Spaltweite hat. Hiermit lässt sich die Geschwindigkeit der zuzuführenden Luft ändern.
Des weitern sind Leitmittel empfehlenswert, mit deren Hilfe die Luft rotierend dem Raum innerhalb des Brennerrohres zugeführt wird. Dies ergibt eine stabilere Flamme und ausgeprägtere äussere Ringwirbel.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür gesorgt, dass das Kanalsystem zur Erzielung einer solchen Eintrittsgeschwindigkeit der Luft in den Raum innerhalb des Brennerrohres und einer solchen durch Eintrittswinkel und Rotation bestimmten Steigung der Luftströme ausgelegt ist, dass der äussere Ringwirbel unabhängig von der eingespeisten Brennstoffmenge die Flammenfront umgibt. Die Vorteile des äusseren Ringwirbels gelten daher unabhängig von der augenblicklichen Brennerleistung.
Des weitern ist es empfehlenswert, wenn ein Rezirkula-tionspfad durch den Einsatz von einem dem Auslass vorgeschalteten Raum über Öffnungen in der ringförmigen Stirnwand zum Raum innerhalb des Brennerrohres vorgesehen ist. Auf diese Weise werden verhältnismässig kalte Verbrennungsgase in den Bereich der Flamme zurückgeführt. Sie beteiligen sich nicht an der Verbrennung, sondern kühlen die Flamme ab. Hierbei ist die rezirkulierte Rauchgasmenge selbstregelnd, d.h. eine Funktion der eingespeisten Brennstoffmenge. Die Gefahr der Bildung einer zu grossen Stickoxidmenge ist daher herabgesetzt.
Insbesondere kann der Einsatz ein den Zentralbrenner umgebender Hohlzylinder sein. Das rezirkulierende Verbrennungsgas kühlt daher den Einsatz, der auf seiner Aus-senseite von heissen Verbrennungsgasen kontaktiert wird.
Wenn die Brennstoff- und Verbrennungsluft-Zufuhr zum Zentralbrenner und/oder Hauptbrenner regelbar ist, kann die jeweilige Wärmeleistung innerhalb eines sehr grossen Bereiches der im jeweiligen Augenblick erforderlichen Wärmemenge angepasst werden.
Des weiteren kann dafür gesorgt sein, dass Zentralbrenner und der Hauptbrenner mit unterschiedlichen Brennstoffen betreibbar sind.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 eine erfindungsgemässe Vorrichtung teilweise im Längsschnitt und
Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch den unteren Teil der Vorrichtung.
Ein Hohlzylinder 1, der unten mit einer Endwand 2 und oben mit einem Deckel 3 versehen ist, wird über den grössten Teil seiner Länge durch einen Wärmetauscher 4 mit Einlass 5 und Auslass 6 und im unteren Teil durch eine Wand 7 aus feuerfestem Material gebildet. Konzentrisch im Hohlzylinder 1 ist ein dünnwandiger, hohlzylindrischer Einsatz 8 vorgesehen, der unten durch eine ringförmige Stirnwand 9 abgeschlossen ist und dem als Verlängerung ein Brennerrohr 10 zugeordnet ist. Dieses endet mit einem Abstand 11 von der Endwand 2. Zwischen Hohlzylinder 1 und Einsatz 8 bzw. Brennerrohr 10 verbleibt ein Ringspalt 12, der oben über einen Austrittsraum 13 mit einem Auslass 14 verbunden ist. In der Höhe des Brennerrohres 10 ist ein der Brennstoffzufuhr und -mischung dienendes Hauptsystem 44 mit einem
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Brennstoffaufbereitungselement 45 und einem Tangential-kanal 46 vorgesehen, über den das Brennstoff-Luft-Gemisch in den Ringspalt 12 mit hoher Geschwindigkeit eingespeist werden kann. Die Verbrennungs- oder Rauchgase bilden dann eng aufeinanderliegende Strahlwindungen, die zu einer intensiven Wärmeabgabe im Bereich des Wärmetauschers 4 führen. Die ganze Vorrichtung ist mit einer Wärmeisolation 15 umgeben.
Wie Fig. 2 zeigt, ist im Innern des Einsatzes 8 im Anschluss an die Stirnwand 9 ein Zentralbrenner 16 angeordnet. Dieser weist eine Brennstoffaufbereitungskammer 17 in der Form eines Vergasungsrohres 18 auf, das mittels einer elektrischen Heizvorrichtung 19 beheizbar ist. Diese kann über Anschlüsse 20 und elektrische Zuleitungen 21 über eine Schaltvorrichtung 22 mit Spannung versorgt werden. Das Vergasungsrohr 18 und die Heizvorrichtung 19 sind mit einer Wärmeisolierung 23 versehen. Das Ganze ist in einem Gehäuse 24 gehalten, das am vorderen Ende eine Konuswand 25 aufweist. Das Gehäuse 24 bildet gleichzeitig die innere Begrenzung eines Kanalsystems 26 für die Zufuhr von Verbrennungsluft, das aussen durch einen Mantel 27 mit einer tangentialen Lufteintrittsöffnung 28 und einen über ein Gewinde 29 hiermit verbundenen Stirnteil 30 begrenzt ist. Das Stirnteil weist einen Flansch 31 zur Befestigung an der ringförmigen Stirnwand 9 und eine Konusfläche 32 auf. Die beiden Konusflächen 25 und 32 begrenzen einen Ringspalt 33, über den die durch ein Rohr 34 und das Kanalsystem 26 zugeführte Verbrennungsluft in einem rotierenden Konusstrahl austritt.
Am vorderen Ende des Vergasungsrohres 18 befindet sich eine Glühzone 35, die sich deshalb ergibt, weil ein Ring 36 die Wärmeabfuhr an der Heizvorrichtung 19 stärker behindert als die Wärmeisolation 23, und ausserdem deshalb, weil die Heizvorrichtung 19 in diesem Bereich eine grössere Leistungsabgabe aufweist. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Heizvorrichtung 19 die Form einer Hülse hat, die mehrfach von beiden Seiten her und einmal durchgehend geschlitzt ist, so dass am vorderen Ende ein grösserer Widerstand vorhanden ist. Wenn flüssiger Brennstoff über eine Leitung 37 zugeführt wird, findet im Vergasungsrohr 18 éine Vergasung statt. Das entstehende Brennstoffgas vermischt sich im Brennraum 38 mit der über den Ringspalt 33 zugeführten Verbrennungsluft zu einem brennfähigen Gemisch. Es entsteht eine Flammenfront 39. Aufgrund der Zuführung der Verbrennungsluft ergibt sich ferner ein innerer Ringwirbel 40 und ein äusserer Ringwirbel 41. Letzterer löst sich von der Aussenschicht der Flammenfront und verläuft längs des Brennerrohres 10 über ein erhebliches Stück rückwärts und anschliessend nach innen, wo die rezirkulierenden Teile wieder mit der Flamme vermischt werden. Dieser äussere Ringwirbel 41 schützt die Flamme vor anfänglicher Abkühlung durch das Brennerrohr 10 und erhitzt dieses rasch auf Glühtemperatur.
5 Beim Anfahren wird der erste zugeführte Brennstofftropfen vergast und vermischt sich mit der im Vergasungsrohr 18 befindlichen Luft. Das so gebildete brennfähige Gemisch wird an der Glühzone 35 gezündet. Die entstehende Zündflamme wird durch das nachfolgende Brennstoffgas in
10 den Brennraum 38 geschoben. Das nachfolgende Gas bildet mit der über denRingspalt 33 zugeführten Verbrennungsluft ein Gemisch, das durch die Zündflamme gezündet wird. Dies ergibt einen sehr sanften Anlaufvorgang ohne Pulsationen. Brennstoff und Luft können so gemischt werden, dass sich eine stöchiometrische Verbrennung ohne Russerzeugung ergibt.
Das Brennerrohr 10 wird nicht nur von innen beheizt, sondern durch die in den Ringspalt 12 umgelenkten Verbrennungsgase auch von aussen. Desgleichen wird die Wand 7 durch Strahlung vom Brennerrohr 10 und durch die Verbrennungsgase aufgeheizt, so dass auch diese Wand bald Glühtemperatur annehmen kann. Wird nun das der Brennstoffzufuhr und -mischung dienende Hauptsystem 44 eingeschaltet, ergibt sich von Anfang an eine zuverlässige Zündung, eine vollständige Verbrennung bei durchsichtiger blauer Flamme und ein pulsationsfreier Betrieb. Je nach Leistungsbedarf können der Zentralbrenner 16, das Hauptsystem 44 allein oder beide gemeinsam betrieben werden.
Ferner ist in der ringförmigen Stirnwand 9 eine Anzahl von Öffnungen 42 vorgesehen, über die ein Rezirkulationspfad 43 aus dem Raum 13 durch den Einsatz 8 und längs der Stirnwand 9 zur Wurzel der Flammenfront 39 entsteht. Dies führt zu einer Abkühlung der Flamme und damit zu einer Verminderung der Bildung von Schadstoffen. Der Ringspalt 33 kann durch Verdrehen des Mantels 27 auf dem Stirnteil 30 in seiner Grösse verändert werden, um optimale Bedingungen im Brennraum 38 einzustellen. Diese Rezirkulations-strömung bleibt auch erhalten, wenn der Zentralbrenner 16 abgeschaltet wird. Der Rezirkulationspfad 43 verläuft dann an der Innenseite des Brennerrohres 10 entlang und gelangt von unten in den Ringspalt 12. Das Brennerrohr 10 kann aus Stahl oder einem dünnwandigen keramischen Material bestehen. Die Brennstoffaufbereitungskammer 14 hat vorzugsweise eine Wandung aus Siliziumkarbid, das mit Siliziumgas dichtgemacht ist, oder einem anderen keramischen Material. Auch die übrigen verwendeten Teile müssen so gewählt sein, dass sie die im Betrieb auftretenden Temperaturen vertragen.
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2 Blatt Zeichnungen
Claims (14)
1. Heizanordnung mit einem Brenner und einem Wärmetauscher (4), bei der zwischen einem mit einer Endwand versehenen Hohlzylinder und einem koaxialen Einsatz ein von Einbauten freier Ringspalt gebildet ist, in dem die Verbrennungsgase vom Brenner (44) strömen, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Brennerein Hauptbrenner ist, dass das der Endwand (2) zugewandte Ende des Einsatzes (8) mit einer ringförmigen Stirnwand (9) und einem im Einsatz zentrisch angeordneten Zentralbrenner ( 16) für vergasten flüssigen oder gasförmigen Brennstoff versehen ist, der eine beheizbare, zentrische Brennstoffaufbereitungskammer (17) und ein Kanalsystem (26) für die Verbrennungsluft mit koaxialer Mündung (33) aufweist, und dass in Verlängerung des Einsatzes ein Brennerrohr (10) angeordnet ist, das mit Abstand von der Endwand des Hohlzylinders (1) endet.
2. Heizanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralbrenner ( 16) ein Vergasungsbrenner ist, bei dem die Brennstoffaufbereitungskammer
( 17) ein mit einer elektrischen Heizvorrichtung (19) versehenes Vergasungsrohr ( 18) ist.
3. Heizanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Mündung der Brennstoffaufbereitungskammer (17) eine Glühzone (35) vorgesehen ist, die mittels einer Heiz Vorrichtung (19) zum Glühen gebracht wird.
4. Heizanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennerrohr (10) aus einem Material besteht, das beim Betrieb des Zentralbrenners (16) Glühtemperatur annimmt, und dass ein der Brennstoffzufuhr und -mischung dienender, dem Hauptbrenner (44) zugeordneter Kanal (46) etwa tangential zum Ringspalt (12) in Höhe des Brenrierrohres angeordnet ist.
5. Heizanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennerrohr (10) aus einem dünnwandigen, keramischen Material besteht.
6. Heizanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leitvorrichtung (25,32) zur Erzeugung eines äusseren Ringwirbels (41) von Flammengasen mit einem Rückstrompfad längs des Innenum-fangs des Brennerrohres (10) vorgesehen ist.
7. Heizanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung (25,32) mindestens einseitig eine konische Führungswand an der Mündung (33) des Kanalsystems (26) aufweist, so dass die Verbrennungsluft in einem konischen Luftstrahl eingeleitet wird.
8. Heizanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündung (33) des Kaiial-systems (26) eine axial einstellbare Spaltweite hat.
9. Heizanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Leitmittel (28) vorgesehen sind, mit deren Hilfe die Luft rotierend dem Raum (38) innerhalb des Brennerrohres (10) zugeführt wird.
10. Heizanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalsystem (26) zur Erzielung einer solchen Eintrittsgeschwindigkeit der Luft in den Raum (38) innerhalb des Brennerrohres (10) und einer solchen durch Eintrittswinkel und Rotation bestimmten Steigung der Luftströme ausgebildet ist, dass der äussere Ringwirbel (41) unabhängig von der eingespeisten Brennstoffmenge die Flammenfront umgibt.
11. Heizanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rezirkulationspfad (43) durch den Einsatz (8) von einem dem Auslass (14) vorgeschalteten Raum über Öffnungen (42) in der ringförmigen Stirnwand (9) zum Raum (38) innerhalb des Brennerrohres (10) vorgesehen ist.
12. Heizanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (8) ein den Zentralbrenner (16) umgebender Hohlzylinder ist.
13. Heizanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoff- und Verbren-nungsluft-Zufuhr zum Zentralbrenner (16) und/oder zum Hauptbrenner (44) regelbar ist.
14. Heizanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Zentralbrenner (16) und Hauptbrenner (44) mit unterschiedlichen Brennstoffen betreibbar sind.
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