DE102007048487A1

DE102007048487A1 - Brenner für einen Industrieofen

Info

Publication number: DE102007048487A1
Application number: DE102007048487A
Authority: DE
Inventors: Horst Graf Von Dr. Schweinitz
Original assignee: IBS IND BRENNER SYSTEME GmbH; IBS INDUSTRIE-BRENNER-SYSTEME GmbH
Current assignee: IBS IND BRENNER SYSTEME GmbH; IBS INDUSTRIE-BRENNER-SYSTEME GmbH
Priority date: 2007-10-09
Filing date: 2007-10-09
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2027-10-10
Also published as: WO2009047260A2; DE102007048487B4; WO2009047260A3

Abstract

Die Erfindung richtet sich auf einen Rekuperator-Brenner (10) für einen Industrieofen, welcher direkt oder indirekt zur Erwärmung eines Werkstückes dient, und der Brenner (10) eine Brennkammer (11) und einen Rekuperatorkopf (12) aufweist, wobei durch die Brennkammer (11) ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff (II) sowie primäre Brennluft (I) einführbar sind, die innerhalb der Brennkammer (11) miteinander vermischt und teilweise durch eine Vorverbrennung verbrannt werden, und die Brennkammer (11) ein sich im Querschnitt verjüngendes, vorderes Ende (11.1) mit einer Auslassöffnung (11.2) für das vorverbrannte Gemisch (III) aus Brennstoff (II) und primäre Brennluft (I) umfasst und der Rekuperatorkopf (12) die Brennkammer (11) im Bereich des vorderen Endes (11.1) zumindest teilweise umgibt, wobei ein Spalt (13) zwischen der Brennkammer (11) und dem Rekuperatorkopf (12) vorhanden ist, wodurch zusätzliche, sekundäre Brennluft (IV) zuführbar ist, die von einem heißen Abgas (V) des Brenners (10), welches an einer Außenseite (12.4) des Rekuperatorkopfes (12) entlangströmt, vorgewärmt ist, und die zusätzliche Brennluft (IV) im Bereich des vorderen Endes (11.1) durch einen Durchlass (12.1), welcher nahe gelegen zur Auslassöffnung (11.2) der Brennkammer (11) angeordnet ist, austritt, um anschließend mit dem vorverbrannten Gemisch (III) aus der Brennkammer (11) durch eine Nachverbrennung zu reagieren. Dabei sieht die vorliegende Erfindung vor, dass an der Auslassöffnung (11.2) ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rekuperator-Brenner gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 für einen Industrieofen, welcher direkt oder indirekt zur Erwärmung eines Werkstücks dient. Derartige Rekuperator-Brenner werden mit gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen betrieben, wobei in dem Brenner mehrere Brennstufen vorgesehen sind, um die erforderlichen Temperaturen zur Erwärmung des Werkstückes zu erhalten. Dabei wird der Brennstoff über eine Brennstoffzufuhrleitung, auch Brennstofflanze genannt, in das Innere des Brenners, insbesondere die Brennkammer, geleitet. Innerhalb der Brennkammer tritt der Brennstoff aus der Brennstofflanze aus, wobei am Ende der Brennstofflanze in der Regel ein Flammenhalter vorgesehen ist. Der Flammenhalter erstreckt sich quer zu einer Längsrichtung des Brenners und dient dazu, die Flammen des Brenners nach vorne zu richten. Das Innere der Brennkammer dient als erste Verbrennungsstufe, in der das Brenngas mit einer ersten Brennluft gemischt und vorverbrannt wird. Die zuvor erwähnte Brennluft wird auch als primäre Brennluft bezeichnet und wird parallel zum Brennstoff (in der Brennstofflanze) in das Innere durch die Brennkammer eingeleitet. Die Brennkammer selbst weist ein vorderes Ende auf, welches sich im Querschnitt zunehmend verjüngt bzw. düsenförmig ausgestaltet ist. Das innerhalb der Brennkammer vorverbrannte Gemisch aus primärer Brennluft und dem Brenngas wird durch eine Auslassöffnung im vorderen Ende der Brennkammer ausgeleitet und reagiert dort mit zusätzlicher Brennluft, die auch als sekundäre Brennluft bezeichnet wird. Diese zusätzliche Brennluft wird zwischen der Brennkammer und einem Rekuperatorkopf durchgeleitet, welcher teilweise die Brennkammer im Bereich des vorderen Endes umgibt. Dabei wird die sekundäre Brennluft von einem heißen Abgas des Brenners, welches an einer Außenseite des Rekuperatorkopfes entlang strömt, vorgewärmt. Durch die Vorwärmung der sekundären Brennluft lassen sich anschließend die gewünschten Verbrennungstemperaturen in der zweiten Verbrennungsstufe erreichen. Die zusätzliche Brennluft tritt im Bereich des vorderen Endes durch einen Durchlass aus, welcher nahe gelegen zur Auslassöffnung der Brennkammer angeordnet ist. Anschließend wird das vorverbrannte Gemisch aus der Brennkammer mit der sekundären Brennluft nachverbrannt, wobei es sich um die zweite Verbrennungsstufe handelt.
Sofern derartige Rekuperator-Brenner über so genannte Mantelstrahlheizrohre die Werkstücke erwärmen, wobei in den Mantelstrahlheizröhren die heißen Verbrennungsgase des Brenners durchgeleitet werden, handelt es sich um eine indirekte Erwärmung des Werkstückes. Ebenfalls ist es denkbar, die erwähnten Rekuperator-Brenner auch zur direkten Erwärmung eines Werkstückes einzusetzen, wobei die Werkstücke innerhalb eines Innenraumes des Industrieofens angeordnet sind und mit den Verbrennungsgasen des Brenners in Kontakt kommen. Bei dieser Erwärmung des Werkstückes wird auch von der direkten Erwärmung geredet.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 40 26 605 A1 ein Rekuperator-Brenner bekannt, bei dem der vorhandene Flammenhalter innerhalb der Brennkammer an der Brennstofflanze befestigt ist. Hierbei ist ebenfalls eine Verriegelung zwischen dem Flammenhalter und der Brennkammer vorgesehen, um die Brennkammer mit der Brennstofflanze auf einfache Art und Weise über den Flammenhalter aus dem Brenner herauszuziehen bzw. einzusetzen. Hierdurch lässt sich der Montage- bzw. Demontageaufwand des Brenners deutlich reduzieren. Auch bei diesem Rekuperator-Brenner ist ein Durchlass in Form eines ringförmigen Spaltes zwischen der Brennkammer und dem Rekuperatorkopf vorgesehen. Dabei beträgt der Spalt nur wenige Millimeter, so dass der Rekuperatorkopf je nach vorhandener Temperatur auch an dem vorderen Ende der Brennkammer anliegt und somit einen Druck auf die Brennkammer im Bereich der Auslassöffnung bzw. des Durchlasses ausübt. Hierdurch kommt es in der Praxis immer wieder zu einer Zerstörung der Brennstoffkammer, die häufig aus einem keramischen Werkstoff besteht.
Dieses Problem tritt auch bei den Rekuperator-Brennern aus der Patentschrift DE 41 38 433 C2 sowie aus der Offenlegungsschrift DE 103 26 951 A1 auf, da hierbei ebenfalls der Spalt zwischen dem Rekuperatorkopf und der Brennkammer am vorderen Ende so gering ist, dass von dem Rekuperatorkopf je nach vorhandener Temperatur ein Druck auf das vordere Ende der Brennkammer ausgeübt wird. Bei dem Brenner aus der Offenlegungsschrift DE 103 26 951 A1 wird das Problem dadurch noch verstärkt, dass der Rekuperatorkopf als insbesondere metallische Gussteil ausgebildet sein kann, welches mit einer keramischen Brennkammer zusammenwirkt. Durch die unterschiedlichen Materialausdehnungskoeffizienten und den im Betrieb vorherrschenden Temperaturen des Brenners kann leicht eine Zerstörung des vorderen Endes der Brennkammer eintreten, die zu einer vorzeitigen Reparatur bzw. einem vorzeitigen Ausfall des Brenners führen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Rekuperator-Brenner zu schaffen, der über eine lange Betriebsdauer verfügt und einen sicheren Betrieb des Brenners ermöglicht. Des Weiteren soll eine Zerstörung im Bereich der Auslassöffnung weitestgehend vermieden werden. Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch genannten technischen Merkmale erreicht, denen folgende besondere Bedeutung zukommt.
Bei der Erfindung ist es vorgesehen, dass an der Auslassöffnung der Brennkammer ein Widerstandsmittel vorhanden ist, wodurch ein Wärmestrom von der Brennkammer im Bereich der Auslassöffnung auf den Rekuperatorkopf verringerbar ist. Da in der Brennkammer die Vorverbrennung des Brennstoffes mit der primären Brennluft, welche bereits vorgewärmt sein kann, stattfindet, sind in der Brennkammer bereits hohe Temperaturen durch das vorverbrannte Gemisch vorhanden. So befinden sich in der Auslassöffnung der Brennkammer Temperaturen von ca. 1.500°C wohingegen der Rekuperatorkopf von seiner Innenseite durch eine sekundäre Brennluft gekühlt wird, die durch heiße Abgase des Rekuperator-Brenners auf ca. 700°C vorgewärmt wird. Die heißen Abgase strömen wiederum an einer Außenseite des Rekuperatorkopfes entlang, wodurch ein weiterer Wärmestrom entsteht. Die Temperaturen in dem Abgas, welches den Rekuperatorkopf von Außen umhüllt, liegen bei ca. 1.200°C. Aufgrund der vorliegenden Temperaturunterschiede im vorderen Ende der Brennkammer und dem unterschiedlichen Materialausdehnungskoeffizienten der Brennkammer und des Rekuperatorkopfes kann es zu mechanischen Spannungen kommen, wodurch die Brennkammer im vorderen Ende, insbesondere im Bereich der Auslassöffnung, schnell zerstört werden kann. Durch das erfindungsgemäße Wärmewiderstandsmittel lässt sich nunmehr ein Wärmestrom zwischen der Brennkammer und dem Rekuperatorkopf im Bereich der Auslassöffnung der Brennkammer bzw. des Durchlasses des Rekuperatorkopfes reduzieren. Folglich kann auch die daraus resultierende, mechanische Belastung in dem zuvor genannten Bereich verringert werden. Dabei kann sichergestellt werden, dass der Rekuperatorkopf keinen Druck und damit keine Kräfte auf die Auslassöffnung der Brennkammer ausübt. Somit kann ein sicherer Betrieb des Brenners ermöglicht werden, wodurch sich auch die Betriebsdauer verlängern lässt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie in der nachfolgenden Beschreibung aufgeführt.
Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, dass die Brennkammer einen keramischen Werkstoff aufweist, der insbesondere Siliziumcarbid enthält. Darüber hinaus kann der Rekuperatorkopf eine hochtemperaturfeste Metalllegierung enthalten, die insbesondere auf einer Nickel-Legierung basiert. Gerade bei der zuvor beschriebenen Werkstoffpaarung für die Brennkammer und den Rekuperatorkopf sind unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten vorhanden, wodurch sich leicht Materialverformungen einstellen, so dass mechanische Spannungen im Bereich der Auslassöffnung zwischen Brennkammer und dem Rekuperatorkopf entstehen können. Ein vorgesehener Spalt zwischen der Brennkammer und dem Rekuperatorkopf, der den Durchlass für die sekundäre Brennluft bildet, kann nicht einfach vergrößert werden. Hierdurch würde sich der Austrittsdruck der sekundären Brennluft verringern und sich damit insgesamt das Brennverhalten verschlechtern. Aus diesem Grund sollte konstruktionstechnisch dafür gesorgt werden, dass der erwähnte Spalt eine kontinuierliche Spaltdicke von wenigen Millimetern aufweist.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die Brennkammer und der Rekuperatorkopf rotationssymmetrisch aufgebaut sein können, wodurch der erwähnte Spalt zwischen der Brennkammer und dem Rekuperatorkopf ringförmig ausbildet sein kann. Ebenfalls kann der Spalt auch andere Formen aufweisen. So ist es denkbar, dass der Spalt in der Regel über eine kontinuierliche Spaltbreite verfügt, die jedoch bei Ausweitungen auch deutlich variieren kann. Diese Ausweitungen können bogen-, halbkreis-, reckteckförmig oder dergleichen ausgestaltet sein. Dabei können eine oder mehrere Ausweitungen den erwähnten Spalt bilden.
Zweckmäßigerweise bildet das Wärmewiderstandsmittel einen Kragen zur Auslassöffnung der Brennkammer, welcher im Wesentlichen im Durchlass des Rekuperatorkopfes angeordnet ist. Der erwähnte Kragen kann dabei verschiedene Ausgestaltungen aufweisen, in denen beispielsweise eine zur Längsrichtung des Brenners quer gerichtete Wand oder eine parallel gerichtete Wand zum Einsatz kommt, die als Wärmewiderstandsmittel Verwendung findet. Auch ist es denkbar, dass sowohl eine quer gerichtete als auch eine parallele Wand für das Wärmewiderstandsmittel vorgesehen ist. Ebenfalls ist es denkbar, dass das Wärmewiderstandsmittel als ein zusätzliches Bauteil zur Brennerkammer vorhanden ist. Dieses zusätzliche Bauteil kann zum Beispiel über eine formschlüssige Verbindung an der Auslassöffnung der Brennerkammer angeordnet sein. Folglich kann das als Kragen ausgebildete Wärmewiderstandsmittel aufgrund der besonderen geometrischen Ausgestaltung den Wärmestrom zwischen der Brennkammer und dem Rekuperatorkopf verringern.
Dabei sei erwähnt, dass bei einer keramischen Brennkammer fertigungstechnische Grenzen für die geometrische Ausgestaltung gesetzt sind. So kann beispielsweise ein Widerstandsmittel als L-förmiger Fortsatz an einer Auslassöffnung der Brennkammer angeordnet sein. Dieser L-förmige Fortsatz ähnelt einem Stehkragen und hat den Vorteil, dass das heiße vorverbrannte Gemisch nicht der sprunghaften Erweiterung der Auslassöffnung, die durch den L-förmiger Fortsatz des Wärmewiderstandsmittels gebildet ist, folgen kann. Somit kommt die in Längsrichtung ausgerichtete, parallele Wand des Wärmewiderstandsmittels nicht in vollen Kontakt mit dem vorverbrannten Gemisch, wodurch sich der übertragene Wärmestrom in diesem Bereich ebenfalls reduzieren lässt. Weiterhin ist es denkbar, dass das Wärmewiderstandsmittel eine doppelte Wand der Auslassöffnung bildet, wobei einerseits eine quer gerichtete Wand und eine parallele Wand als Wärmewiderstandsmittel vorgesehen sind. Diese U-förmige Umbördelung der Brennkammer im Bereich der Auslassöffnung gleicht einem Rollkragen und weist den zusätzlichen Vorteil auf, dass der Hohlraum zwischen den beiden Außenwänden – den parallelen Schenkeln des U's – der Brennkammer zusätzlich mit einem Füllmaterial, wie zum Beispiel keramischer Isolierfaser oder dergleichen, ausgefüllt werden kann. Somit lässt sich der Wärmestrom von der Brennkammer auf den Rekuperatorkopf weiter verringern.
Um die Wirkungsweise des Rekuperator-Brenners zu verbessern, können Wärmeübertragungsflächen an dem Rekuperatorkopf angeordnet sein, um einen Wärmestrom zwischen dem heißen Abgas des Brenners an einer Außenseite des Rekuperatorkopfes und der zusätzlichen, sekundären Brennluft an einer Innenseite des Rekuperatorkopfes zu erhöhen. Hierdurch lässt sich die sekundäre Brennluft weiter aufheizen, so dass insgesamt die Leistung des Brenners erhöht wird. Die Wärmeübertragungsflächen können selbst strömungsgünstig als herausstehende Rippen aus der Außenseite des Rekuperatorkopfes herausragen. Ebenfalls ist es denkbar, auch die Innenseite des Rekuperatorkopfes mit Wärmeübertragungsflächen zu versehen, damit auch hier eine Übertragung einer größeren Wärmemenge auf die zu erhitzende, sekundäre Brennluft möglich ist. Bei den innen liegenden Wärmeübertragungsflächen ist darauf zu achten, dass diese nicht zu einem Druckverlust in der sekundären Brennluft führen. Ebenfalls kann optional das heiße Abgas des Brenners dazu genutzt werden, auch die primäre Brennluft vorzuwärmen.
Wie bereits zuvor erwähnt wurde, existieren zwei grundsätzliche Varianten für den erfindungswesentlichen Brenner, wobei bei der ersten Variante das Wärmewiderstandsmittel materialeinheitlich und einteilig zur Brennkammer ausgestaltet ist. Somit bildet dieses Wärmewiderstandsmittel eine kontinuierliche Fortsetzung der Auslassöffnung der Brennkammer. Bei der zweiten Ausführungsvariante kommt das bereits erwähnte, zusätzliche Bauteil als Wärmewiderstandsmittel zum Einsatz, welches ebenfalls materialeinheitlich zur Brennkammer ausgestaltet sein kann. Allerdings bietet es sich in diesem Fall an, das Wärmewiderstandsmittel materialindifferent zur Brennkammer auszugestalten, wobei insbesondere das Material des Wärmewiderstandsmittels eine geringere Wärmeleitfähigkeit als das Material der Brennkammer aufweist.
Um das zusätzliche Bauteil, welches das Wärmewiderstandsmittel darstellt, mit der Brennkammer zu verbinden, kann eine formschlüssige Verbindung vorgesehen sein. Hierbei bietet sich insbesondere eine Schrauben- oder Bajonettverbindung an, wodurch das Wärmewiderstandsmittel sicher und fest aber lösbar an der Auslassöffnung der Brennkammer anordbar ist. Zu diesem Zweck kann an der Brennkammer ein Gegenhaltemittel vorgesehen sein, welches mit einem Haltemittel an dem zusätzlichen Wärmewiderstandsmittel formschlüssig zusammenwirkt. Das Haltemittel an dem Wärmewiderstandsmittel kann als ein Vorsprung, insbesondere ein Außengewinde, vorgesehen sein, welches mit einer Vertiefung als Gegenhaltemittel, insbesondere in Form eines Innengewindes, zusammenwirkt. Selbstverständlich sind auch weitere mechanische Verbindungen zwischen dem als zusätzliches Bauteil ausgestalteten Wärmewiderstandsmittel und der Brennkammer denkbar sowie eine kinematische Umkehr zwischen dem beschriebenen Halte- und Gegenhaltemittel.
Ebenfalls ist es denkbar, dass ein als zusätzliches Bauteil ausgestaltetes Wärmewiderstandsmittel in Form und Größe an den Durchlass des Rekuperatorkopfes bzw. an die Auslassöffnung der Brennkammer anpassbar ist. Hierdurch können leicht unterschiedliche Brennkammern mit verschiedenen Rekuperatorköpfen kombiniert werden, wobei das zusätzliche Wärmewiderstandsmittel zur Anpassung im Bereich der Auslassöffnung bzw. des Durchlasses dient.
Durch das als zusätzliches Bauteil ausgestaltete Wärmewiderstandsmittel ist es möglich, bei einem Schaden nur das Wärmewiderstandsmittel auszutauschen, falls dieses z. B. durch einen Druck des Rekuperatorkopfes 12 zerstört worden ist. Alleine durch diese Maßnahme lassen sich deutlich Kosten für die Reparatur des Brenners einsparen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Wärmewiderstandsmittel ein Hitzeschild aufweisen, welches im Wesentlichen quer zur Längsrichtung des Brenners angeordnet ist. Hierbei können im Hitzeschild Durchbrüche vorgesehen sein, die zur Durchleitung der zusätzlichen, sekundären Brennluft dienen. Die Durchbrüche können selbst in Längsrichtung des Brenners das Hitzeschild durchsetzen. Durch den Einsatz des Hitzeschildes lässt sich bewirken, dass die Brennkammer und der Rekuperatorkopf im Bereich der Auslassöffnung bzw. des Durchlasses vor übermäßiger Hitze geschützt sind, die durch die Nachverbrennung des vorverbrannten Gemisches mit der sekundären Brennluft entsteht. Außerdem kann das Hitzeschild auch sicher verhindern, dass die heißen Abgase des Brenners nicht im Bereich der Auslassöffnung bzw. des Durchlasses auf den Brenner auftreffen.
Bei einer zusätzlichen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die gesamte Brennkammer mittels eines Hakenverschlusses am Brenner reversibel austauschbar angeordnet ist, wobei der Hakenverschluss ein Haltemittel und ein Gegenhaltemittel aufweist, und das Haltemittel an der Brennkammer vorgesehen ist. Das Haltemittel kann beispielsweise aus einer Bohrung oder einem Langloch bestehen, welches mit einem Gegenhaltemittel formschlüssig zusammenwirkt. Das Gegenhaltemittel kann dann selbst aus einem Vorsprung bestehen, der in das Haltemittel eingreift.
Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen. In den Zeichnungen ist die Erfindung in vier unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigen:
1a eine Seitenansicht der erfindungswesentlichen Bauteile des Rekuperator-Brenners mit einem U-förmigen Wärmewiderstandsmittel,
1b Längsschnitt Ib-Ib durch 1a mit dargestellter Funktionsweise des Brenners,
1c Ausschnittsvergrößerung einer unteren Kante der Austrittsöffnung aus 1b,
2a Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles für die Brennkammer und den Rekuperatorkopf mit einem L-förmigen Wärmewiderstandsmittel,
2b Längsschnitt IIb-IIb durch 2a,
3a Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles für eine Brennkammer und einem Rekuperatorkopf mit einem als zusätzliches Bauteil ausgestalteten Wärmewiderstandsmittel,
3b Längsschnitt IIIb-IIIb durch 3a
4a Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles für eine Brennkammer und einem Rekuperatorkopf mit einem Wärmewiderstandsmittel sowie einem Hitzeschild,
4b Längsschnitt IVb-IVb durch 4a, und
5 schematische Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles mit einem besonderes ausgestalteten Spalt zwischen einer Brennkammer und einem Rekuperatorkopf.
In der 1a ist eine Seitenansicht einer Brennkammer 11 und eines Rekuperatorkopfes 12 eines Rekuperator-Brenners 10 dargestellt. Hierbei ist die Brennkammer 11 mit ihrem vorderen Ende 11.1 teilweise in dem Rekuperatorkopf 12 angeordnet. Ebenfalls wurde in der 1a eine Brennstofflanze 18 mit einem daran angeordneten Flammenhalter 19 gestrichelt dargestellt. Durch die Brennstofflanze 18 wird der gasförmige oder flüssige Brennstoff II in die Brennkammer 11 eingeführt. Zusätzlich gelangt in die Brennkammer primäre Brennluft I, welche parallel zur Brennstofflanze 18 strömt und diese umgibt. Nachdem der Brennstoff II aus der Brennstofflanze 18 in die Brennkammer 11 eintritt, vermischt sich dieser mit der primären Brennluft I und wird innerhalb der Brennkammer 11 vorverbrannt. Hierbei bildet sich das vorverbrannte Gemisch III, welches bereits eine Temperatur von ca. 1.500°C aufweist. Dieses vorverbrannte Gemisch III tritt durch eine Auslassöffnung 11.2 der Brennkammer 11 aus und wird mit einer zusätzlichen sekundären Brennluft IV vermischt und weiter verbrannt. Bei der Nachverbrennung entsteht das Abgas V des Brenners 10. Dieses Abgas V kann in ein Flammenrohr 22, welches innerhalb eines Mantelstrahlheizrohres angeordnet ist, eingeleitet werden, oder direkt in einen Innenraum des Industrie-Ofens. Bei dem Einsatz von einem Mantelstrahlheizrohr wird das zu erwärmende Werkstück indirekt über die Flammenrohre 22 und das Mantelstrahlheizrohr erhitzt, wobei das Werkstück selber nicht mit den heißen Verbrennungsabgasen V des Brenners 10 in Berührung kommt. Bei der direkten Erwärmung des Werkstückes kommt das Werkstück mit den heißen Verbrennungsabgasen V des Brenners direkt in Kontakt und wird hierdurch erhitzt.
In der 1b ist ein Längsschnitt lb aus 1a dargestellt. Ebenfalls wird die Funktionsweise des Rekuperator-Brenners 10 aus der 1b deutlich, da hier die einzelnen Ströme der Brennluft I, des Brennstoffes II, des vorverbrannten Gemisches III und der zusätzlichen Brennluft IV sowie des Abgases des Brenners V als Pfeile schematisch dargestellt sind. Zusätzlich ist in der 1b ein Flammenrohr 22, wie in 1a, gestrichelt dargestellt. Auch ist in der 1b beispielhaft ein Rohrelement 20 sowie ein Außenrohrelement 21 gestrichelt dargestellt, wodurch die Zufuhr der Brennluft I, IV ermöglicht wird, die beide durch das Abgas V vorgewärmt werden können.
Die primäre Brennluft I gelangt durch das Rohrelement 20 z. B. parallel zur Brennstofflanze 18 in die Brennkammer 11. Die zusätzliche sekundäre Brennluft IV wird durch das Außenrohrelement 21 in den Rekuperatorkopf 12 gefördert, wobei die sekundäre Brennluft IV durch einen ersten Wärmestrom 50 auf ca. 700°C im Rekuperatorkopf 12 vorgewärmt wird. Zu diesem Zweck wird der Rekuperatorkopf 12 an seiner Außenseite 12.4 durch das zurückgeführte Abgas V des Brenners 10 erhitzt. Die dabei vorhandene Wärmemenge wird über die Wand des Rekuperatorkopfes 12 auf die sekundäre Brennluft IV übertragen. Wie deutlich in 1b zu erkennen ist, wird die sekundäre Brennluft IV zwischen einer Innenseite 12.3 des Rekuperatorkopfes 12 und einer Außenseite 11.4 der Brennkammer 11 durchgeführt und gelangt so zu einem Durchlass 12.1, der aus einem vorzugsweise, ringförmigen Spalt 13 zwischen der Brennkammer 11 und dem Rekuperatorkopf 12 im Bereich der Auslassöffnung 11.2 besteht. Eine andere, beispielhafte Ausführungsform für den Spalt 13 ist in der 5 gezeigt.
Im Spalt 13 ist das erfindungsrelevante Wärmewiderstandsmittel 15 angeordnet. In diesem ersten Ausführungsbeispiel aus den 1 ist das Wärmewiderstandsmittel 15 einteilig und materialeinheitlich zur Brennkammer 11 vorhanden. Das Wärmewiderstandsmittel 15 umgibt dabei die Auslassöffnung 11.2 wie eine U-förmige Umbördelung und gleicht einem Rollkragen 11.5. Dabei umfasst das Wärmewiderstandsmittel 15 einerseits eine quer zur Längsrichtung 14 gerichtete Wand 15.1 und andererseits eine parallele Wand 15.2.
In der 1c ist eine Vergrößerung der unteren Schnittkante der Auslassöffnung 11.2 aus 1b gezeigt. Ferner ist in der 1c auch ein Pfeil für den zweiten Wärmestrom 51 im Bereich der Auslassöffnung 11.2 schematisch eingezeichnet. Hierbei wird deutlich, dass die übertragene Wärmemenge nicht nur die Brennkammerwand überwinden muss, um an dieser Stelle auch zum Rekuperatorkopf 12 zu gelangen, vielmehr muss der Wärmestrom nunmehr auch das Wärmewiderstandsmittel 15 überwinden, wobei ein Teil direkt durch das Wärmewiderstandsmittel 15 fließt und ein anderer Teil durch einen Freiraum gelangen muss. Der vorerwähnte Freiraum wird durch die U-förmige Umbördelung der Brennkammerwand sowie der parallelen Wand 15.2 des Wärmewiderstandsmittels 15 gebildet. In diesem Freiraum kann beispielsweise eine Füllung aus keramischer Isolierfaser eingesetzt werden, um den Wärmestrom im Bereich der Auslassöffnung 11.2 zwischen der Brennkammer 11 und dem Rekuperatorkopf 12 weiter zu reduzieren. Die Füllung aus keramischer Isolierfaser kann den ringförmigen Freiraum komplett ausfüllen, wobei sie nicht die Strömung der sekundären Brennluft IV beeinflusst.
In der 2a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Brennkammer 11 und den Rekuperatorkopf 12 in Seitenansicht gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel kommt ein L-förmiges Wärmewiderstandsmittel 15 als Fortsatz der Auslassöffnung 11.2 zum Einsatz, welches einem Stehkragen 11.5 gleicht. In der 2b ist in dem Längsschnitt IIb die Ausgestaltung des Wärmewiderstandsmittels 15 deutlich sichtbar. Dabei verjüngt sich die Brennkammer 11 nach vorne in ihrem Querschnitt und bildet ein vorderes Ende 11.1, an dem die Auslassöffnung 11.2 angeordnet ist. Dieses vordere Ende 11.1 ist düsenförmig ausgestaltet, um die Strömung des vorverbrannten Gemisches III entsprechend zu beeinflussen. Auch bei dem Ausführungsbeispiel aus den 2 ist das Wärmewiderstandsmittel 15 materialeinheitlich und einteilig zur Brennkammer 11 ausgestaltet. Hierbei stellt das Wärmewiderstandsmittel 15 im Wesentlichen eine sprunghafte Erweiterung der Auslassöffnung 11.2 dar, welches eine quergerichtete Wand 15.1 und eine parallele Wand 15.2 beinhaltet. Durch die sprunghafte Erweiterung der Auslassöffnung 11.2, welche durch das Wärmewiderstandsmittel 15 gebildet wird, wird der Hauptstrom des vorverbrannten Gemisches III ohne direkten Kontakt zum Wärmewiderstandsmittel 15, insbesondere zur parallelen Wand 15.2, aus der Brennkammer 11 ausgeleitet. Außerdem wird die Übertragung des Wärmestroms 51 durch die quergerichtete Wand 15.1 des Wärmewiderstandsmittels 15 zusätzlich erschwert.
In den 3a und 3b ist die zweite grundsätzliche Variante des Wärmewiderstandsmittels 15 dargestellt. Hierbei kommt ein zusätzliches Bauteil als Wärmewiderstandsmittel 15 zum Einsatz, welches von außen auf der Auslassöffnung 11.2 angeordnet ist. Dabei ist es ebenfalls denkbar, dass Wärmewiderstandsmittel 15 auch innen an der Auslassöffnung 11.2 anzuordnen, so dass das Wärmewiderstandsmittel 15 durch die Auslassöffnung 11.2 von außen umgeben wird. 3b stellt einen Längsschnitt IIIb durch die 3a dar. Das als zusätzliches Bauteil 15.3 ausgestaltete Wärmewiderstandsmittel 15 ist mittels einer formschlüssigen Verbindung 17 außenseitig an der Auslassöffnung 11.2 reversibel lösbar gehalten. Die formschlüssige Verbindung 17 dient dazu, dass die Brennkammer 11 und das Wärmewiderstandmittel 15 eine Einheit bilden, die bei einer Montage oder Demontage gemeinsam aus dem Brenner 10 herausgezogen oder hinein geschoben werden kann. Die erwähnte formschlüssige Verbindung 17 kann durch eine Schrauben- oder Bajonettverbindung 17 gebildet werden. Zu diesem Zweck ist an dem mutterförmigen Wärmewiderstandsmittel 15 ein Haltemittel 17.1 angeordnet. Dieses Haltemittel 17.1 wird durch einen Vorsprung gebildet. Der Vorsprung wirkt formschlüssig mit einer Vertiefung zusammen, die das Gegenhaltemittel 17.2 an der Außenseite 11.4 der Brennkammer 11 bildet. Das Haltemittel 17.1 kann als ein Außengewinde ausgestaltet sein, wohingegen das Gegenhaltemittel 17.2 als Innengewinde vorzusehen ist. Selbstverständlich kann auch eine kinematische Umkehr zwischen Haltemittel 17.1 und Gegenhaltemittel 17.2 stattfinden.
Weiter ist aus den 3a und 3b ersichtlich, dass die Brennkammer 11 über ein weiteres Haltemittel 16.1 verfügt, welches für einen Hakenverschluss 16 dient.
Dieser Hakenverschluss 16 verbindet beispielsweise die Brennkammer 11 mit dem Rohrelement 20 formschlüssig. Das Haltemittel 16.1 kann dabei als Lochbohrung oder Langloch am hinteren Ende der Brennkammer 11 angeordnet sein.
In den 4a und 4b ist ein zusätzliches Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Hierbei ist das Wärmewiderstandsmittel 15 mit einem zusätzlichen Hitzeschild 15.4 versehen. Das Wärmewiderstandsmittel 15 bildet selbst ein zusätzliches Bauteil 15.3, an dem das Hitzeschild 15.4 materialeinheitlich und einteilig angeordnet ist. Das Hitzeschild 15.4 ist selbst im Wesentlichen quer zur Längsrichtung 14 des Brenners 10 angeordnet, wobei im Hitzeschild 15.4 Durchbrüche in Längsrichtung 14 des Brenners vorgesehen sind, die zur Durchleitung der sekundären Brennluft IV dienen. Wie in 4b deutlich zu erkennen ist, schirmt das Hitzeschild 15.4 eine Frontseite des Rekuperatorkopfes 12 ab, so dass rückströmende Abgase V nicht zu einer zusätzlichen Erwärmung des Rekuperatorkopfes 12 im Bereich des Durchlasses 12.1 führen. Das Wärmewiderstandsmittel 15 mit dem daran angeordneten Hitzeschild 15.4 wird ebenfalls über eine formschlüssige Verbindung 17 mit der Brennkammer 11 verbunden. Bei dieser Anordnung muss zunächst der Rekuperatorkopf 12 über das vordere Ende 11.1 der Brennkammer 11 geschoben werden, um anschließend das Wärmewiderstandsmittel 15 mit dem Hitzeschild 15.4 montieren zu können.
In der 5 ist der Spalt 13 in einer beispielhaften Ausführungsform mit insgesamt vier bogen- bzw. halbkreisförmigen Ausweitungen dargestellt. Wie deutlich zu erkennen ist, weist der Spalt 13 einerseits eine kontinuierliche Spaltbreite 13.1 zwischen der Brennkammer 11, insbesondere dem vorderen Ende 11.1, und dem Rekuperatorkopf 12 auf. Diese kontinuierliche Spaltbreite 13.1 kann wenige Millimeter oder Mikrometer betragen. Ferner sind im Spalt 13 Ausweitungen vorgesehen. Im vorliegenden Fall sind genau vier bogenförmige Ausweitungen vorgesehen, die eine variierende Spaltbreite 13.2 zwischen der Brennkammer 11 und dem Rekuperatorkopf 12 aufweisen. Durch diese Ausweitungen kann die zusätzliche Brennluft IV strahlenförmig aus dem Spalt 13 austreten, um anschließend mit dem vorverbrannten Gemisch III nachverbrannt zu werden. Das vorverbrannte Gemisch III tritt dabei aus der unrunden Auslassöffnung 11.2 der Brennkammer 11 aus. Selbstverständlich ist auch eine anders ausgestaltete Form des Spaltes 13 denkbar, bei der z. B. mehrere Ausweitungen vorkommen oder andersartige beispielsweise rechteckförmig Ausweitungen angeordnet sind. Auch ist es denkbar, dass die Auslassöffnung 11.2 z. B. rechteckförmig oder ellipsenförmig ausgestaltet ist, wodurch sich ein entsprechender Spalt 13 zwischen der Brennkammer 11 und dem Rekuperatorkopf 12 ergibt.
Abschließend ist noch zu erwähnen, dass auch eine beliebige Kombination der zuvor erwähnten technischen Merkmale des Brenners 10 möglich ist, sofern sich diese Kombination nicht explizit ausschließt.

10: Rekuperator-Brenner/Brenner
11: Brennkammer
11.1: vorderes Ende von 11
11.2: Auslassöffnung von 11
11.3: Innenseite von 11
11.4: Außenseite von 11
11.5: Kragen
12: Rekuperatorkopf
12.1: Durchlass von 12
12.2: Wärmeübertragungsfläche von 12
12.3: Innenseite von 12
12.4: Außenseite von 12
13: Spalt zwischen 11 und 12
13.1: kontinuierliche Spaltbreite
13.2: variierende Spaltbreite (bogenförmige Ausweitung des Spaltes)
14: Längsrichtung
15: Wärmewiderstandsmittel
15.1: quergerichtete Wand
15.2: parallele Wand
15.3: zusätzliche Bauteil
15.4: Hitzeschild
16: Hakenverschluss
16.1: Haltemittel von 16
17: formschlüssige Verbindung zwischen 11 und 15, insbesondere Schrauben- oder Bajonettverbindung
17.1: Haltemittel von 17
17.2: Gegenhaltemittel von 17
18: Brennstofflanze
19: Flammenhalter
20: Rohrelement
21: Außenrohrelement
22: Flammenrohr
50: Pfeil für ersten Wärmestrom Q
51: Pfeil für zweiten Wärmestrom Q
I: Pfeil für erste Brennluft
II: Pfeil für Brennstoff
III: Pfeil für vorverbranntes Gemisch
IV: Pfeil für zusätzliche Brennluft
V: Pfeil für Abgas des Brenners

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4026605 A1 [0003]
- DE 4138433 C2 [0004]
- DE 10326951 A1 [0004, 0004]

Claims

Rekuperator-Brenner (10) für einen Industrieofen, welcher direkt oder indirekt zur Erwärmung eines Werkstückes dient, und der Brenner (10) eine Brennkammer (11) und einen Rekuperatorkopf (12) aufweist, wobei durch die Brennkammer (11) ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff (II) sowie primäre Brennluft (I) einführbar sind, die innerhalb der Brennkammer (11) miteinander vermischt und teilweise durch eine Vorverbrennung verbrannt werden, und die Brennkammer (11) ein sich im Querschnitt verjüngendes, vorderes Ende (11.1) mit einer Auslassöffnung (11.2) für das vorverbrannte Gemisch (III) aus Brennstoff (II) und primäre Brennluft (I) umfasst, und der Rekuperatorkopf (12) die Brennkammer (11) im Bereich des vorderen Endes (11.1) zumindest teilweise umgibt, wobei ein Spalt (13) zwischen der Brennkammer (11) und dem Rekuperatorkopf (12) vorhanden ist, wodurch zusätzliche, sekundäre Brennluft (IV) zuführbar ist, die von einem heißen Abgas (V) des Brenners (10), welches an einer Außenseite (12.4) des Rekuperatorkopfes (12) entlang strömt, vorgewärmt ist, und die zusätzliche Brennluft (IV) im Bereich des vorderen Endes (11.1) durch einen Durchlass (12.1), welcher nahe gelegen zur Auslassöffnung (11.2) der Brennkammer (11) angeordnet ist, austritt, um anschließend mit dem vorverbrannten Gemisch (III) aus der Brennkammer (11) durch eine Nachverbrennung zu reagieren, dadurch gekennzeichnet, dass an der Auslassöffnung (11.2) der Brennkammer (11) ein Wärmewiderstandsmittel (15) vorgesehen ist, wodurch ein Wärmestrom (51) von der Brennkammer (11) im Bereich der Auslassöffnung (11.2) auf den Rekuperatorkopf (12) verringerbar ist.
Brenner (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (11) einen keramischen Werkstoff, insbesondere Siliziumcarbid, aufweist und/oder der Rekuperatorkopf (12) eine hochtemperaturfeste Metall-Legierung enthält, insbesondere in Form einer Nickelbasis-Legierung.
Brenner (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (13) zwischen der Brennkammer (11) und dem Rekuperatorkopf (12) im Durchlass (12.1) wenige Millimeter bei einer kontinuierlichen Spaltbreite (13.1) beträgt, wobei insbesondere der Spalt (13) auch Ausweitungen aufweist, welche über eine variierende Spaltbreite (13.2) verfügen.
Brenner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmewiderstandsmittel (15) einen Kragen (11.5) zur Auslassöffnung (11.2) der Brennkammer (11) bildet.
Brenner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmewiderstandsmittel (15) im Wesentlichen eine quer zur Längsrichtung (14) des Brenners (10) ausgerichtete Wand (15.1) enthält.
Brenner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmewiderstandsmittel (15) eine parallele Wand (15.2) zur Brennkammerwand im Bereich der Auslassöffnung bildet.
Brenner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekuperatorkopf (12) Wärmeübertragungsflächen (12.2) aufweist, um einen Wärmestrom (50) zwischen dem heißen Abgas (V) und der zusätzlichen, sekundären Brennluft (IV) an einer Innenseite (12.3) des Rekuperatorkopfs (12) zu erhöhen.
Brenner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (11) mittels eines Hakenverschlusses (16) am Brenner (10) reversibel austauschbar angeordnet ist, wobei der Hakenverschluss (16) ein Haltemittel (16.1) und ein Gegenhaltemittel aufweist, und das Haltemittel (16.1) an der Brennkammer (11) vorgesehen ist.
Brenner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmewiderstandsmittel (15) materialeinheitlich und einteilig zur Brennkammer (11) ausgestaltet ist.
Brenner (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmewiderstandsmittel (15) ein zusätzliches Bauteil (15.3) zur Brennkammer (11) bildet.
Brenner (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmewiderstandsmittel (15) mittels einer formschlüssigen Verbindung (17), insbesondere mittels einer Schrauben- oder Bajonettverbindung, an der Auslassöffnung (11.2) der Brennkammer (11) anordbar ist.
Brenner (10) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmewiderstandsmittel (15) materialindifferent zur Brennkammer (11) ausgestaltet ist, wobei insbesondere das Material des Wärmewiderstandsmittels (15) eine geringere Wärmeleitfähigkeit als das Material der Brennkammer (11) aufweist.
Brenner (10) nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmewiderstandsmittel (15) in Form und Größe an den Durchlass (12.1) des Rekuperatorkopfs (12) bzw. an die Auslassöffnung (11.2) der Brennkammer (11) anpassbar ist.
Brenner (10) nach Anspruch 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmewiderstandsmittel (15) ein Hitzeschild (15.4) aufweist, welches im Wesentlichen quer zur Längsrichtung (14) des Brenners (10) angeordnet ist, wobei im Hitzeschild (15.4) Durchbrüche in Längsrichtung (14) des Brenners (10) vorgesehen sind, die zur Durchleitung der zusätzlichen Brennluft (IV) dienen.