DE102006012168A1 - Brenner zur Verbrennung von Flüssigbrennstoff - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner zur Verbrennung von Flüssigbrennstoff (F), wobei in einem zylindrischen Brennerrohr (1) eine axial angeordnete Flüssigbrennstoffdüse (2) und eine die Flüssigbrennstoffdüse (2) umgebende oder der Flüssigbrennstoffdüse (2) stromabwärts nachgeordnete Luftdüse (3) aufgenommen sind, wobei in einem stromabwärts der Luftdüse (3) befindlichen Austrittsquerschnitt des Brennerrohrs (1) ein durchströmbarer Porenkörper (7) gehalten ist und/oder das Brennerrohr (1) stromabwärts der Luftdüse (3) einen durchströmbaren porösen Abschnitt aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Brenner zur Verbrennung von Flüssigbrennstoff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Ein solcher Brenner wird nach dem Stand der Technik zur Verbrennung von Öl bei Zentralheizungen verwendet und ist allgemein bekannt. Zur Verminderung insbesondere von Rußemissionen ist bei einem solchen Brenner eine Rezirkulationseinrichtung vorgesehen, welche eine Mischung des zu verbrennenden Gemischs mit heißem Abgas und damit eine zumindest teilweise Verdampfung des Gemischs ermöglicht. Ein solchermaßen vorgewärmtes Gemisch ist besonders homogen und verbrennt unter Ausbildung einer blauen Flamme. Man bezeichnet die bekannten Brenner auch als "Blaubrenner".
  • Bei Blaubrennern ist der über Wärmestrahlung ausgekoppelte Anteil an Wärme gering. Z. B. im industriellen Bereich gibt es aber Anwendungen, bei denen eine Wärmeauskopplung mittels Wärmestrahlung erforderlich ist.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, hier Abhilfe zu schaffen. Es soll insbesondere ein möglichst einfach aufgebauter Brenner angegeben werden, der sich durch eine emissionsarme Verbrennung von Flüssigbrennstoff und eine hohe Wärmeauskopplung über Wärmestrahlung auszeichnet.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 13.
  • Nach Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, dass in einem stromabwärts der Luftdüse befindlichen Austrittsquerschnitt des Brennerrohrs ein durchströmbarer Porenkörper gehalten ist und/oder das Brennerrohr stromabwärts der Luftdüse einen durchströmbaren porösen Abschnitt aufweist.
  • Damit kann auf überraschend einfache Weise der Anteil an Wärmestrahlung drastisch erhöht werden. Abgesehen davon zeichnet sich der vorgeschlagene Brenner durch eine besonders stabile Verbrennung aus. Es kommt infolge der hohen Wärmekapazität des Porenkörpers bzw. des porösen Abschnitts nicht zu einem lokalen Verlöschen der Flamme. Der vorgeschlagene Brenner zeichnet sich durch eine stabile, vollständige und damit emissionsarme Verbrennung von Flüssigbrennstoff, insbesondere von Öl, aus. Der aus dem vorgeschlagenen Brenner austretende Abgasvolumenstrom weist eine besonders homogene Temperaturverteilung über seine Austrittsquerschnitt auf. Aus dem Porenkörper treten keine offenen Flammen aus. Infolgedessen kann der Brenner nahe an das zu erwärmende Gut herangeführt werden.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein axialer Abstand zwischen der Luftdüse und der Innenwand des Porenkörpers größer als ein mittlerer axialer Abstand zwischen der Luftdüse und einer axialen Position im Brennerrohr, an welcher eine Querschnittsfläche eines Flammkegels gleich der Austrittsquerschnittsfläche des Brennrohrs ist. Der Porenkörper ist also mindestens in einem solchen axialen Abstand von der Luftdüse angeordnet, bei dem der Flammkegel im Bereich des Austrittsquerschnitts umlaufend auf die Innenwand des Brennerrohrs trifft. Das ermöglicht eine besonders hohe Ausbeute an Wärmestrahlung.
  • Zweckmäßigerweise wird der Porenkörper durch ein zwischen einer Innenwand des Brennerrohrs und einem Rand des Porenkörpers angeordnetes elastisches Haltemittel klemmend gehalten. Das ermöglicht eine kompakte Bauweise. Es stehen insbesondere keinerlei Befestigungs- und Klemmmittel über einen Außenumfang des Brennerrohrs hervor.
  • Vorteilhafterweise ist das Haltemittel aus einem keramischen oder mineralischen thermischen Isolationsmittel gebildet. Das Isolationsmittel kann insbesondere aus keramischen oder mineralischen Fasern hergestellt sein. Gerade die Verwendung eines mineralischen oder keramischen Faserwerkstoffs als Haltemittel ermöglicht auch bei thermisch bedingten Formänderungen, z. B. des Brennerrohrs, einen sicheren und zuverlässigen Halt des Porenkörpers in seiner Montageposition. Das vorgeschlagene Haltemittel ist stabil und weist außerdem eine für die Aufrechterhaltung einer klemmenden Halterung ausreichende Elastizität auf. Unter Verwendung des vorgeschlagenen Haltemittels lässt sich einfach und schnell eine klemmende Befestigung realisieren.
  • Die vorgeschlagene klemmende Befestigung des Porenkörpers eignet sich selbstverständlich auch für andere Brennergeometrien. So ist es beispielsweise möglich, unter Verwendung des Haltemittels einen lang gestreckten quaderförmigen Porenkörper in einer Rinne zu halten, deren Boden aus einer mit Durchbrüchen versehenen keramischen Platte gebildet ist. Durch die mit Durchbrüchen versehene keramische Platte kann ein Brennstoff/Luft-Gemisch dem Porenkörper zugeführt und darin verbrannt werden. – Das Vorsehen eines elastischen Haltemittels zur klemmenden Befestigung des Porenkörpers in einem Gehäuse eines Brenners wird unabhängig von der eingangs beschriebenen Erfindung als gesonderte Erfindung angesehen.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beträgt eine in Richtung einer Achse des Brennerrohrs sich erstreckende Dicke des Porenkörpers 10 bis 50 mm. Der vorgeschlagene Po renkörper zeichnet sich durch einen geringen Druckverlust und eine effektive Umwandlung von Wärme in Wärmestrahlung aus.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Porenkörper und/oder der poröse Abschnitt aus einem keramischen oder metallischen Material hergestellt ist. Das Material kann insbesondere nach Art eines festen Schaums ausgebildet sein. Es weist zweckmäßigerweise eine Porosität von mehr als 75 Vol.%, vorzugsweise 80 bis 95 Vol.%, auf. Das Material kann insbesondere aus einem der folgenden Werkstoffe hergestellt sein: SiC, Al2O3, SiSiC. Das vorgeschlagene Material ist thermisch stabil und ermöglicht mit einem relativ geringen Druckverlust ein Abströmen der heißen Verbrennungsgase aus dem Brennerrohr. Damit können eine besonders effektive Umwandlung in Wärmestrahlung und eine gleichzeitige Auskopplung von Wärme mittels Konvektion erreicht werden.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung ist im Brennerrohr ein koaxial dazu angeordnetes Rezirkulationsrohr in einem vorgegebenen ersten Abstand von der Luftdüse und einem vorgegebenen zweiten Abstand von einer der Luftdüse zugewandten Innenwand des Porenkörpers angebracht. Dabei ist der zweite Abstand zweckmäßigerweise größer als der erste Abstand. Er beträgt vorzugsweise mehr als das Zweifache, besonders bevorzugt mehr als das Dreifache, des ersten Abstands. Mit der vorgeschlagenen Anordnung des Rezirkulationsrohrs im Brennerrohr lässt sich besonders einfach und effektiv ein Zurückströmen eines Teils der Verbrennungsgase in einen weiteren Abschnitt des Brenners erzielen, in dem ein aus Flüssigbrennstoff-Tröpfchen und Luft bestehender Nebel hergestellt wird. Durch die Beimischung der zurückströmenden heißen Abgase wird der Nebel zumindest teilweise in einen Dampf umgewandelt. Der Dampf zeichnet sich durch eine verbesserte Homogenität aus. Es kann damit eine verbesserte Verbrennung erreicht werden.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung weist das Brennerrohr in einem axialen Abschnitt zwischen der Luftdüse und dem Rezirkulationsrohr Rezirkulationsdurchbrüche auf. Das Brennerrohr ist üblicherweise in dem die Rezirkulationsdurchbrüche aufweisenden Abschnitt von einem Kessel, Gehäuse, Schutzrohr oder dgl. umgeben. Das Vorsehen der Rezirkulationsdurchbrüche ermöglicht von außen her die Zufuhr vorgewärmter Luft oder heißer Abgase in den weiteren Abschnitt des Brennerrohrs, wo der aus Luft und Flüssigbrennstoff-Tröpfchen bestehende Nebel erzeugt wird. Es kann damit die Verdampfung des Nebels unterstützt werden.
    •
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Querschnittansicht eines ersten Brenners,
  • 2 eine schematische Querschnittansicht eines zweiten Brenners,
  • 3 eine schematische Querschnittansicht eines dritten Brenners,
  • 4 eine schematische Querschnittansicht eines vierten Brenners,
  • 5 eine schematische Querschnittansicht eines fünften Brenners und
  • 6 eine schematische Querschnittsansicht eines sechsten Brenners.
  • Bei dem in den 1 gezeigten Brennern ist in einem, z. B. aus Metall oder Keramik hergestellten, Brennerrohr 1 in axialer Anordnung eine Flüssigbrennstoffdüse 2 zum Vernebeln von Flüssigbrennstoff F gehalten. Die Flüssigbrennstoffdüse 2 ist von einer Luftdüse 3 zur Zufuhr von Luft L umgeben. Die Luftdüse 3 kann der Flüssigbrennstoffdüse 2 auch stromabwärts nachgeordnet sein. Die Luftdüse 3 kann insbesondere so ausgestaltet sein, dass damit der erzeugten Luftströmung ein Drall aufgeprägt wird.
  • Mit dem Bezugszeichen 4 ist eine Zündvorrichtung und mit dem Bezugszeichen 5 eine Flammenüberwachungseinrichtung, z. B. ein lichtempfindlicher Widerstand, ein Thermoelement oder dgl., bezeichnet. Stromabwärts der Luftdüse 3 ist im Brennerrohr 1 ein, z. B. aus Metall oder Keramik hergestelltes, Rezirkulationsrohr 6 gehalten. Mit den vom Rezirkulationsrohr 6 ausgehenden unterbrochenen Linien ist ein Flammkegel FK bezeichnet. In einem der Luftdüse 3 gegenüberliegenden Austrittsquerschnitt des Brennerrohrs 1 ist ein Porenkörper 7 gehalten. Der Porenkörper 7 ist zweckmäßigerweise aus einem keramischen Schaum hergestellt. Dabei kann die Keramik zur Herstellung des Schaums aus Al2O3, SiC, SiSiC oder dgl. hergestellt sein und eine Porosität von mehr als 75 Vol.%, vorzugsweise 80 bis 95 Vol.%, aufweisen. Der hier in Form einer zylindrischen Scheibe mit einer Dicke b im Bereich von 10 bis 50 mm ausgebildete Porenkörper 7 ist an seinem Umfangsrand von einem elastischen Haltemittel 8 umgeben. Das elastische Haltemittel 8 ist aus einem thermischen Isolationsmittel hergestellt. Dabei kann es sich z. B. um eine Matte handeln, die aus mit einem organischen Binder gebundenen keramischen Fasern hergestellt ist. Bei den keramischen Fasern kann es sich beispielsweise um Aluminosilikate handeln mit der allgemeinen Zusammensetzung Al2O3:SiO2 = 72 ± 5 Gew.%:28 ± 5 Gew.%, wobei die Summe aus Al2O3 und SiO2 abgesehen von unvermeidbaren Ver unreinigungen 100 Gew.% beträgt. Bei dem organischen Binder handelt es sich zweckmäßigerweise um ein modifiziertes Achrylestercopolymer. Mit dem vorgeschlagenen Haltemittel 8 kann der Porenkörper 7 vorteilhafterweise klemmend im Brennerrohr 1 gehalten werden. Auch bei einer thermisch bedingten Ausdehnung des Brennerrohrs 1 gewährleistet ein solches Haltemittel 8 eine ausreichende Elastizität zum Halten des Porenkörpers 7.
  • Wie aus 1 weiter erkennbar ist, ist das Rezirkulationsrohr 6 so im Brennerrohr 1 gehalten, dass ein erster Abstand A1 zwischen der Luftdüse 3 und einer axialen Mittelebene des Rezirkulationsrohrs 6 kleiner ist als ein zweiter Abstand A2 zwischen der axialen Mittelebene und einer der Luftdüse 3 zugewandten Innenseite des Porenkörpers 7. Der zweite Abstand A2 ist vorteilhafterweise größer als das zweifache des ersten Abstands A1. Damit kann eine besonders effektive interne Rezirkulation erreicht werden. Die interne Rezirkulation ist mit den Pfeilen P1 angedeutet.
  • Das Brennerrohr 1 kann in einem axialen Abschnitt zwischen der Luftdüse 3 und dem Rezirkulationsrohr 6 Rezirkulationsdurchbrüche 9 aufweisen. Die Rezirkulationsdurchbrüche 9 ermöglichen eine mit den Pfeilen P2 angedeutete externe Rezirkulation, bei der von außen her vorgewärmte Luft L oder Abgase in einen zwischen der Luftdüse 3 und dem Rezirkulationsrohr 6 befindlichen Mischungsabschnitt zugeführt wird.
  • Wie aus den 2 und 3 erkennbar ist, kann ein Austrittsquerschnitt des Brennerrohrs 1 im Vergleich zum Brennerrohr 1 einen größeren oder einen kleineren Durchmesser aufweisen. Gleichwohl gilt auch in diesem Fall die Bedingung, nach der ein Abstand zwischen der Luftdüse 3 und der Innenwand des Porenkörpers 7 so gewählt ist, dass der Flammkegel FK beim Auf treffen auf den Porenkörper 7 zumindest den Durchmesser des Austrittsquerschnitts des Brennerrohrs 1 aufweist. Mit der Änderung der Fläche des Porenkörpers 7 im Austrittsquerschnitt und ggf. zusätzlich der Fläche des Austrittsquerschnitts kann auf einfache Weise eine Wärmestrahlungsfläche an den jeweils zu bestrahlenden Bereich angepasst werden. – Selbst wenn der Flammkegel FK abschnittsweise nicht den Durchmesser des Austrittsquerschnitts aufweist, finden im Porenkörper 7 thermische Ausgleichsvorgänge statt, welche eine homogene Temperaturverteilung über den gesamten Austrittsquerschnitt sicherstellen.
  • 4 zeigt einen vierten Brenner, bei dem im Gegensatz zu dem in 1 gezeigten Brenner lediglich die Rezirkulationsdurchbrüche 9 weggelassen sind. Das Brennerrohr 1 ist von einem zu erwärmenden Gut 10, beispielsweise einem Heizkessel, einem zu trocknenden Gut oder dgl., umgeben. An einer Außenwand des Brennerrohrs 1 kann ein Abschirmmittel 11 vorgesehen sein, mit dem die vom im Betrieb glühenden Brennerrohr 1 abgegebene Wärmestrahlung – je nach Bedarf – abschnittsweise abgeschirmt werden kann. Bei dem Abschirmmittel 11 kann es sich beispielsweise um ein Blech handeln, welches mittels Abstandshalter am Brennerrohr 1 befestigt ist.
  • Bei dem in 5 gezeigten fünften Brenner ist das Brennerrohr 1 in einem Abschnitt AB1 aus einem durchströmbaren porösen Material hergestellt. Bei dem porösen Material kann es sich um dasselbe Material handeln, aus dem auch der Porenkörper 7 hergestellt ist. Damit kann die Wärme sowohl in axialer als auch in radialer Richtung mittels Wärmestrahlung und über Konvektion an das zu erwärmende Gut 10 abgegeben werden.
  • Bei dem in 6 gezeigten sechsten Brenner ist in Abweichung zum fünften Brenner der Porenkörper 7 mit einem Ver schlussmittel 12 verschlossen. Das Verschlussmittel 12 unterbindet eine Wärmeauskopplung mittels Konvektion. Es kann sich bei dem Verschlussmittel 12 beispielsweise um eine keramische Platte, eine Metallplatte oder dgl. handeln.
  • Bei dem sechsten Brenner wird axial die Wärme also nur über Wärmestrahlung ausgekoppelt, wohingegen radial eine Wärmeauskopplung sowohl über Wärmestrahlung als auch über Konvektion stattfindet.
  • Bei den in 5 und 6 gezeigten Brennern ist der Porenkörper 7 mittels des Haltemittels 8 klemmend im Brennerrohr 1 gehalten. Nach einer alternativen (hier nicht gezeigten) Ausgestaltungsform ist es auch möglich, dass zumindest der aus dem porösen Material hergestellte Abschnitt AB1 des Brennerrohrs 1 zusammen mit dem Porenkörper 7 in einem Stück hergestellt ist. In diesem Fall kann auf das Haltemittel 8 verzichtet werden. Der poröse Abschnitt AB1 des Brennerrohrs 1 kann an dem weiteren Abschnitt AB2 des Brennerrohrs 1, in welchem die Flüssigbrennstoffdüse 2 und die Luftdüse 3 gehalten und welcher nicht aus einem nicht durchströmbaren Material hergestellt ist, in ähnlicher Weise wie der Porenkörper 7 unter Verwendung eines Haltemittels 8 klemmend gehalten werden. Dazu kann der durchströmbare poröse Abschnitt AB1 des Brennerrohrs 1 – ähnlich wie der Porenkörper 7 – unter Verwendung des Haltemittels 8 am weiteren Abschnitt AB2 des Brennerrohrs 1 klemmend gehalten sein. Der weitere Abschnitt AB2 des Brennerrohrs kann z. B. aus einer Keramik, z. B. Al2O3, oder Metall hergestellt sein.
    • 1
    Brennerrohr
    2
    Flüssigbrennstoffdüse
    3
    Luftdüse
    4
    Zündvorrichtung
    5
    Flammenüberwachungseinrichtung
    6
    Rezirkulationsrohr
    7
    Porenkörper
    8
    Haltemittel
    9
    Rezirkulationsdurchbruch
    10
    Gut
    11
    Abschirmmittel
    12
    Verschlussmittel
    A1
    erster Abstand
    A2
    zweiter Abstand
    AB1
    Abschnitt
    AB2
    weiterer Abschnitt
    b
    Dicke
    F
    Flüssigbrennstoff
    FK
    Flammkegel
    L
    Luft
    P1
    interne Rezirkulation
    P2
    externe Rezirkulation

Claims (13)

  1. Brenner zur Verbrennung von Flüssigbrennstoff (F), wobei in einem zylindrischen Brennerrohr (1) eine axial angeordnete Flüssigbrennstoffdüse (2) und eine die Flüssigbrennstoffdüse (2) umgebende oder der Flüssigbrennstoffdüse (2) stromabwärts nachgeordnete Luftdüse (3) aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einem stromabwärts der Luftdüse (3) befindlichen Austrittsquerschnitt des Brennerrohrs (1) ein durchströmbarer Porenkörper (7) gehalten ist und/oder das Brennerrohr (1) stromabwärts der Luftdüse (3) einen durchströmbaren porösen Abschnitt (AB1) aufweist.
  2. Brenner nach Anspruch 1, wobei ein axialer Abstand zwischen der Luftdüse (3) und der Innenwand des Porenkörpers (7) größer ist als ein mittlerer axialer Abstand zwischen der Luftdüse (3) und einer axialen Position im Brennerrohr (1), an welcher eine Querschnittsfläche eines Flammkegels (FK) gleich der Austrittsquerschnittsfläche des Brennerrohrs (1) ist.
  3. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Porenkörper (7) durch ein zwischen einer Innenwand des Brennerrohrs (1) und einem Rand des Porenkörpers (7) angeordnetes elastisches Haltemittel (8) klemmend gehalten wird.
  4. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Haltemittel (8) aus einem keramischen oder mineralischen thermischen Isolationsmittel gebildet ist.
  5. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Isolationsmittel aus keramischen oder mineralischen Fasern hergestellt ist.
  6. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine in Richtung einer Achse des Brennerrohrs (1) sich erstreckende Dicke (b) des Porenkörpers (7) 10 bis 50 mm beträgt.
  7. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Porenkörper (7) und/oder der poröse Abschnitt (AB1) aus einem keramischen oder metallischen Material hergestellt ist.
  8. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material nach Art eines festen Schaums ausgebildet ist.
  9. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material eine Porosität von mehr als 75 Vol.%, vorzugsweise von 80 bis 95 Vol.%, aufweist.
  10. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material aus einem der folgenden Werkstoffe hergestellt ist: SiC, Al2O3, SiSiC.
  11. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Brennerrohr (1) ein koaxial dazu angeordnetes Rezirkulationsrohr (6) mit einem vorgegebenen ersten Abstand (A1) von der Luftdüse (3) und einem vorgegebenen zweiten Abstand (A2) von der Innenwand des Porenkörpers (7) angebracht ist.
  12. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Abstand (A2) größer als der erste Abstand (A1), vorzugsweise mehr als das Zweifache, besonders bevorzugt mehr als das Dreifache, ist.
  13. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Brennerrohr (1) in einem axialen Abschnitt zwischen der Luftdüse (3) und dem Rezirkulationsrohr (6) Rezirkulationsdurchbrüche (9) aufweist.
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