DE102017114570A1

DE102017114570A1 - Brennerkopf und Verbrennungsverfahren

Info

Publication number: DE102017114570A1
Application number: DE102017114570.2A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2019-01-03
Anticipated expiration: 2037-06-30
Also published as: DE102017114570B4

Abstract

Die Erfindung betrifft die Verbrennung von Brennstoff in einer von einem Brennerkopf beabstandeten, stromabwärts gelegenen Verbrennungszone in einem Brennraum. Bei einem Brennerkopf und einem Verbrennungsverfahren, in dem ein erster Teil-Volumenstrom der Verbrennungsluft schraubenlinienförmig verdrallt wird, wird vorgeschlagen, mindestens einen zweiten Teil-Volumenstrom der Verbrennungsluft zu verwirbeln, bevor die beiden Teil-Volumenströme miteinander und in der Folge mit unverbranntem Brennstoff vermischt werden, wodurch die Stabilität der Flamme erhöht und der Schadstoffausstoß vermindert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verbrennung von Brennstoff in einer von einem Brennerkopf beabstandeten, stromabwärts gelegenen Verbrennungszone in einem Brennraum.
Bei Verbrennung fossiler Brennstoffe in Feuerungsanlagen entstehen im Allgemeinen umweltbelastende Schadstoffemissionen, insbesondere in Form von Stickoxiden (z. B. NO, NO2), die üblicherweise zusammenfassend als NOx bezeichnet werden. Im Fall von Stickoxiden hat sich die Rezirkulation bzw. Rückführung von bei der Verbrennung entstehenden Abgasen als wirksam herausgestellt. Rezirkulierte Abgase führen zu einer Verringerung von bei Verbrennung entstehenden Stickoxiden. Durch die Rückführung von Abgas können die Flammentemperatur und der SauerstoffPartialdruck gesenkt und damit die Stickoxidentstehung verringert werden, für die hohe Verbrennungstemperaturen verantwortlich sind, und/oder Brennstoffgemische mit einer Stöchiometrie erzeugt werden, die zu einer Verringerung von Stickoxid führt. Jedoch führt eine Einmischung von Abgas tendenziell zu einer Destabilisierung der Flamme.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Brennstoff zweistufig zu verbrennen, wobei Brennstoff in zwei unterschiedlichen, in Strömungsrichtung hintereinander liegenden Verbrennungszonen verbrannt wird. Ein solcher Ansatz ist beispielsweise aus DE 195 09 219 A1 bekannt.
Alternativ werden einstufige Verbrennungen, insbesondere wenn Abgas rezirkuliert wird, verwendet. Verfahren und Vorrichtungen zur einstufigen Verbrennung sind beispielsweise aus EP 1 245 901 A1 , DE 197 04 721 A1 und DE 10 2005 038 662 A1 bekannt. Allerdings gibt es bei bekannten Ansätzen zur einstufigen Verbrennung Schwierigkeiten, eine vom Brennkopf beabstandete Flamme (in Fachkreisen als „Freiflammentechnologie“ bezeichnet) zu stabilisieren, deren Überwindung zusätzliche Maßnahmen erfordert.
Die obigen Ausführungen gelten insbesondere für reine Gasbrenner (Einstoffbrenner) und Gas-Öl-Brenner (Zweistoffbrenner) im Gasbetrieb. Bei einem Ölbrenner (Einstoffbrenner) oder Gas-Öl-Brenner (Zweistoffbrenner) im Ölbetrieb stellen sich hinsichtlich der Stabilisierung der Flamme vergleichbare Probleme, wenn sie hier auch geringer ausfallen. Des Weiteren ist auch hier die Durchmischung von Brennstoff (z.B. Öl) und Verbrennungsluft für die resultierende Brennstoff-Verbrennungsluft-Mischung und das Brennstoffverhalten insgesamt von Bedeutung. Je intensiver und homogener die Durchmischung erreicht werden kann, desto optimaler gestaltet sich der Brennvorgang. Allerdings ist die Durchmischung von Brennstoff (z. B. Öl, Gas) und Verbrennungsluft ein zu verbessernder Aspekt.
Zur Lösung der Aufgabe, bei der Verbrennung von Brennstoffen für eine verbesserte Ausbildung und Stabilisierung einer vom Brennkopf beabstandeten Flamme zu sorgen und dabei eine Entstehung von Schadstoffen, insbesondere Stickoxiden, durch Abgasrückführung zu minimieren, wird in EP 2 037 173 B1 ein Brennerkopf zur einstufigen Verbrennung von Brennstoff in einer vom Brennerkopf stromabwärts beabstandeten Verbrennungszone vorgeschlagen, der ein Brennerrohr mit einem stromabwärts gelegenen Ende, eine Dralleinrichtung zur Zufuhr verdrallter Verbrennungsluft in eine erste verbrennungsfreie Mischzone stromabwärts der Dralleinrichtung innerhalb des Brennerrohres und wenigstens eine erste Brennstoffdüse umfasst, die stromabwärts der Dralleinrichtung und innerhalb des Brennerrohres angeordnet ist und zur Zufuhr von Brennstoff in die erste Mischzone dient, um unverbrannten Brennstoff mit von der Dralleinrichtung verdrallter Verbrennungsluft zu mischen. Die Dralleinrichtung umfasst einen ersten Bereich mit Drallelementen, mit denen der Dralleinrichtung zugeführte Verbrennungsluft verdrallt wird. Die Dralleinrichtung weist ferner einen zweiten Bereich auf, der stromabwärts des ersten Bereichs gelegen ist und so ausgeführt ist, dass im ersten Bereich verdrallte Verbrennungsluft getrennt von weiterer (insbesondere im Brennerrohr geführter) Verbrennungsluft zu führen.
Der Begriff „verdrallt“ ist in EP 2 037 173 B1 so definiert, dass „Verbrennungsluft, die stromaufwärts der Dralleinrichtung 38 im Wesentlichen nur in Strömungsrichtung 24 (oder bezüglich der Längsachse 24 in axialer Richtung) strömende Anteile aufweist, so mit den Drallelementen 46 wechselwirkt, dass stromabwärts des Bereichs 44 die strömende Verbrennungsluft Strömungsanteile umfasst, die - bezogen auf die Längsachse des Brennerrohres 2 - axial, radial und tangential verlaufen.“ Mit anderen Worten wird in EP 2 037 173 B1 der Begriff „verdrallt“ synonym zu „schraubenlinienförmig“ verwendet.
Obwohl durch die in EP 2 037 173 B1 vorgeschlagenen Maßnahmen gegenüber dem dort zitierten Stand der Technik tatsächlich Verbesserungen im Sinne der Aufgabe der Erfindung erreicht werden konnten, hat sich gezeigt, dass - insbesondere aufgrund der ständig größer werdenden Leistungen neuentwickelter Brennerköpfe - die ebenfalls ständig steigenden Anforderungen aktueller Abgasnormen allein durch diese Maßnahmen immer schwerer erreichbar sind.
Es besteht daher weiterhin Bedarf nach technischen Lösungen für Brennerköpfe sowie Verbrennungsverfahren, mit denen die Stabilität der Flamme verbessert und die Schadstoffemissionen, insbesondere von Kohlenmonoxid, Stickoxiden und (besonders im Ölbetrieb) Ruß, verringert werden können.
Ausgehend von dem zitierten Stand der Technik werden daher nunmehr ein verbesserter Brennerkopf mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie ein verbessertes Verbrennungsverfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 9 vorgeschlagen.
Vorgeschlagen wird zunächst ein Brennerkopf zur Verbrennung von Brennstoff in einer vom Brennerkopf stromabwärts beabstandeten Verbrennungszone, der Folgendes umfasst:

• ein Brennerrohr mit einem stromaufwärts gelegenen ersten Ende zum Einspeisen von Verbrennungsluft in das Brennerrohr, und einem stromabwärts gelegenen zweiten Ende zur Abgabe eines zündfähigen Gemischs aus Brennstoff und Verbrennungsluft;
• mindestens ein in dem Brennerrohr koaxial angeordnetes Brennstoffrohr mit mindestens einer im Bereich des zweiten Endes des Brennerrohres angeordneten Brennstoffdüse, zur Zufuhr von Brennstoff in eine im Bereich des zweiten Endes des Brennerrohres angeordnete Mischzone;
• eine in dem Brennerrohr koaxial angeordnete Dralleinrichtung mit einem Drallrohr sowie darin angeordneten Drallelementen, das einen ersten Strömungsquerschnitt aufweist, der innen durch das mindestens eine Brennstoffrohr und außen durch das Drallrohr begrenzt ist, zur Zufuhr eines ersten Teil-Volumenstroms schraubenlinienförmig verdrallter Verbrennungsluft in die stromabwärts der Dralleinrichtung angeordnete Mischzone; und
• mindestens einen in dem Brennerrohr koaxial angeordneten zweiten Strömungsquerschnitt, der innen durch das Drallrohr oder mindestens ein das Drallrohr umschließendes Überrohr und außen durch mindestens ein das Drallrohr umschließendes Überrohr oder das Brennerrohr begrenzt ist, zur Führung mindestens eines zweiten Teil-Volumenstroms von Verbrennungsluft getrennt von dem in der Dralleinrichtung schraubenlinienförmig verdrallten ersten Teil-Volumenstrom von Verbrennungsluft in die stromabwärts der Dralleinrichtung angeordnete Mischzone.

Bei Ausführungen, die kein das Drallrohr umschließendes Überrohr aufweisen, bildet der Ringspalt zwischen Drallrohr und Brennerrohr einen zweiten Strömungsquerschnitt, durch den ein zweiter Teil-Volumenstrom von Verbrennungsluft geführt, dabei strömungstechnisch aber bisher nicht aktiv beeinflusst wurde. Bei anderen Ausführungen, die zusätzlich ein das Drallrohr umschließendes Überrohr aufweisen, entstehen zwei zweite Strömungsquerschnitte, wodurch der zweite Teil-Volumenstrom von Verbrennungsluft nochmals unterteilt wird. In diesem Fall ist einer der beiden zweiten Strömungsquerschnitte innen durch das Drallrohr und außen durch ein das Drallrohr umschließendes Überrohr begrenzt und der andere der beiden zweiten Strömungsquerschnitte ist innen durch das Überrohr und außen durch das Brennerrohr begrenzt. Beide zweite Teil-Volumenströme wurden bei bekannten Brennerköpfen bisher strömungstechnisch nicht aktiv beeinflusst.
Erfindungsgemäß wird bei derartigen Brennerköpfen nunmehr vorgeschlagen, dass

• vor oder/und an oder/und hinter dem Eintritt in die stromabwärts der Dralleinrichtung befindliche Mischzone eine Wirbeleinrichtung mit mindestens einem Wirbelelement zur Verwirbelung mindestens eines zweiten Teil-Volumenstroms von Verbrennungsluft zumindest um eine quer zur Strömungsrichtung verlaufende Richtung angeordnet ist.

Mit anderen Worten soll, wie bisher auch schon, innerhalb des Brennerrohres ein erster Teil-Volumenstrom der Verbrennungsluft, die am stromaufwärtigen ersten Ende in das Brennerrohr eingeführt wird „verdrallt“, d.h. in eine schraubenlinienförmige Strömung um die zentrale Längsachse des Brennerrohres versetzt werden.
Zusätzlich dazu soll nun auch noch mindestens ein zweiter Teil-Volumenstrom, der bisher strömungstechnisch im Wesentlichen unbehandelt gelassen wurde, „verwirbelt“ werden. Diese Verwirbelung kann an einer oder mehreren Positionen im Bereich mindestens eines zweiten Strömungsquerschnitts entlang der Strömungsrichtung des oder eines zweiten Teil-Volumenstroms erfolgen. Umfasst die Wirbeleinrichtung beispielsweise drei Wirbelelemente, so kann beispielsweise ein erstes Wirbelelement in dem - in der Strömungsrichtung gesehen - mittleren Bereich des zweiten Strömungsquerschnitts angeordnet sein, ein zweites Wirbelelement im Bereich des stromabwärtigen Endes des zweiten Strömungsquerschnitts, d.h. unmittelbar vor oder nach dem Eintritt des zweiten Teil-Volumenstroms in die Mischzone, angeordnet sein und ein drittes Wirbelelement hinter dem zweiten Strömungsquerschnitt, d.h. innerhalb der verbrennungsfreien Mischzone, angeordnet sein.
Zur klaren Abgrenzung gegenüber dem bisher praktizierten „Verdrallen“ des ersten Teil-Volumenstroms wird hier für die vorgeschlagene Behandlung des mindestens einen zweiten Teil-Volumenstroms der Verbrennungsluft der Begriff „Verwirbeln“ eingeführt, der in tatsächlicher Hinsicht etwas anderes bedeutet als das bekannte „Verdrallen“ und auch so verstanden werden soll. Gemeint ist mit dem hier verwendeten Begriff „Verwirbeln“, dass in dem strömenden Fluid ein Wirbel erzeugt wird, der sich zumindest auch um eine quer zur Strömungsrichtung verlaufende Richtung dreht.
In bekannten Brennerköpfen wird der in das erste, stromaufwärtige Ende des Brennerrohres eingeblasene Gesamt-Volumenstrom von Verbrennungsluft durch die Dralleinrichtung in einen ersten Teil-Volumenstrom, der im ersten Strömungsquerschnitt der Dralleinrichtung verdrallt wird, und einen zweiten Teil-Volumenstrom, der zwischen Dralleinrichtung und Brennerrohr im zweiten Strömungsquerschnitt strömungstechnisch weitgehend unbeeinflusst der Mischzone zugeführt geführt wird, aufgeteilt.
In einigen weiterentwickelten Brennerköpfen wird der zweite Teil-Volumenstrom in der Strömungsrichtung gesehen etwa in der Mitte der Dralleinrichtung nochmals unterteilt, und zwar durch ein Überrohr, welches das Drallrohr mit einem radialen Abstand umschließt und sich beispielsweise etwa von der Mitte der Dralleinrichtung bis zu deren stromabwärtigem zweiten Ende erstreckt. Der Sinn dieses Überrohres und der damit verbundenen nochmaligen Aufteilung des zweiten Teil-Volumenstroms in zwei zweite Teil-Volumenströme besteht in der Beeinflussung bestimmter Geschwindigkeits- und Druckverhältnisse im Bereich des stromabwärtigen Endes des Brennerrohres, die sich auf die Ansaugung rezirkulierter Abgase auswirken.
Bei der Anwendung der hiermit vorgeschlagenen Verbesserungsmaßnahmen sollte mindestens einer dieser zweiten Teil-Volumenströme zumindest um eine quer zur Strömungsrichtung verlaufende Richtung verwirbelt werden, wobei bevorzugt der ganz außen, zwischen Brennerrohr und Überrohr geführte zweite Teil-Volumenstrom zumindest um eine quer zur Strömungsrichtung verlaufende Richtung verwirbelt wird.
Mit Bezug auf den vorgeschlagenen Brennerkopf bedeutet dies, dass bei Ausführungen, die zusätzlich zu der Dralleinrichtung ein Überrohr aufweisen, eine Wirbeleinrichtung bevorzugt zwischen dem Überrohr und dem Brennerrohr angeordnet ist. Selbstverständlich kann aber eine Wirbeleinrichtung auch alternativ oder zusätzlich zwischen Drallrohr und Überrohr angeordnet sein, ohne den erfinderischen Gedanken zu verlassen.
Das „Verwirbeln“ des mindestens einen zweiten Teil-Volumenstroms kann auf unterschiedliche Weise erfolgen:
Beispielsweise kann bei dem vorgeschlagenen Brennerkopf vorgesehen sein, dass das mindestens eine Wirbelelement mindestens eine den zweiten Strömungsquerschnitt verkleinernde, konzentrisch zum Brennerrohr angeordnete Wirbelkante umfasst. Eine solche Wirbelkante kann beispielsweise eine Begrenzung eines als Wirbelelement dienenden Ringes sein, der am inneren oder äußeren Durchmesser des zweiten Strömungsquerschnitts oder mitten in dem zweiten Strömungsquerschnitt angeordnet ist, wobei Ausgestaltungen vom Erfindungsgedanken mit umfasst sind, bei denen die Wirbeleinrichtung Kombinationen von zwei oder mehr derartigen Wirbelelementen umfassen. Die auf einen solchen Ring auftreffenden Strömungslinien des strömenden Fluids, d.h. des mindestens einen zweiten Teil-Volumenstroms der Verbrennungsluft, werden gebremst und anschließend gezwungen, das Wirbelelement zu umströmen. Die dadurch entstehende Verwirbelung ist umso stärker, je größer der Strömungswiderstand des Wirbelelements ist, was wiederum von dessen Querschnittsform (d.h. der Schnittfläche des Wirbelelements, die bei einem Längsschnitt durch das Brennerrohr sichtbar wird) abhängt.
Gemäß einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Wirbelkante in der Strömungsrichtung gesehen stetig, beispielsweise kreisförmig ist. Hierdurch wird eine relativ gleichmäßige Verwirbelung des mindestens einen zweiten Teil-Volumenstroms der Verbrennungsluft, erzielt, die dennoch nachfolgend eine signifikant bessere Durchmischung der Verbrennungsluft mit dem Brennstoff sowie gegebenenfalls rezirkuliertem Abgas erzielt, weil der verdrallte erste Teil-Volumenstrom und der verwirbelte mindestens eine zweite Teil-Volumenstrom aufeinandertreffen und eine deutlich homogenere Durchmischung erzielen als dies aus dem Stand der Technik bekannt war.
Gemäß einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Wirbelkante unstetig, beispielsweise gezahnt ist. Derartige Zahnungen einer Wirbelkante eines Wirbelelements können beispielsweise an die grundsätzliche Form einer Dreieckfunktion, Rechteckfunktion, Trapezfunktion usw. angelehnt sein, die sich hier jedoch umlaufend durch den grundsätzlich ringförmigen zweiten Strömungsquerschnitt erstreckt und daher unendlich ist.
Wie weiter oben bereits ausgeführt, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass mindestens ein Wirbelelement an der Außenseite des Drallrohres bzw. Überrohres angebracht ist, oder/und dass mindestens ein Wirbelelement an der Innenseite des Brennerrohres angebracht ist, oder/und dass mindestens ein Wirbelelement zwischen der Innenseite des Brennerrohres und der Außenseite des Drallrohres bzw. Überrohres, d.h. mitten im zweiten Strömungsquerschnitt, angebracht ist.
Es hat sich gezeigt, dass mit dem vorgeschlagenen verbesserten Brennerkopf im Vergleich mit bekannten Brennerköpfen gleichzeitig mit einer Stabilisierung der Flamme eine deutliche Reduktion der Schadstoffemissionen, insbesondere des Ausstoßes von Ruß, Kohlenmonoxid und Stickoxiden, durch Homogenisierung des Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemischs und daraus folgend durch den Abbau von Temperaturspitzen, erzielt werden konnte. Mit anderen Worten stellt die Anordnung einer Wirbeleinrichtung in dem zweiten Strömungsquerschnitt bereits für sich genommen eine stickoxidmindernde Maßnahme dar; sie ermöglicht jedoch darüber hinaus auch weitere stickoxidmindernde Maßnahmen, wie nachfolgend beschrieben:
Die Dralleinrichtung kann innerhalb des Brennerrohres relativ zu diesem axial, d.h. entlang der Strömungsrichtung, verschiebbar ausgestaltet sein, um bestimmte strömungstechnische Verfahrensparameter einzustellen, die die Stabilität der Flamme und die Abgasemissionen beeinflussen, so dass ein optimaler Arbeitspunkt gefunden werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass die Wirbeleinrichtung im Ganzen verschiebbar ist oder/und mindestens eines von mehreren Wirbelelementen der Wirbeleinrichtung relativ zur Dralleinrichtung axial verschiebbar ist. Mit anderen Worten sind von dem erfinderischen Gedanken auch Ausgestaltungen umfasst, bei denen eine Anordnung mehrerer Wirbelelemente relativ zur Dralleinrichtung verschiebbar ist oder ein Wirbelelement der Wirbeleinrichtung relativ zu anderen Wirbelelementen der Wirbeleinrichtung und relativ zur Dralleinrichtung verschiebbar ist oder mehrere Wirbelelemente der Wirbeleinrichtung unabhängig voneinander relativ zu anderen Wirbelelementen der Wirbeleinrichtung und relativ zur Dralleinrichtung verschiebbar sind. Wie im Falle einer axial verschiebbaren Dralleinrichtung, und auch in Kombination mit einer axial verschiebbaren Dralleinrichtung, können dadurch strömungstechnische Verfahrensparameter, die die Stabilität der Flamme und die Abgasemissionen beeinflussen, gezielt verändert und an konkrete Einsatzbedingungen angepasst werden.
Die vorgeschlagene Lösung ist technisch einfach, preiswert herstellbar und sie ist geeignet, im Rahmen von Retrofit-Maßnahmen schnell, einfach und kostengünstig in bereits existierenden Brennerköpfen nachzurüsten, indem nachträglich eine Wirbeleinrichtung der beschriebenen Art angebracht wird.
Mit dem vorgeschlagenen verbesserten Brennerkopf kann ein verbessertes Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff in einer von einem Brennerkopf stromabwärts beabstandeten, in einem Brennraum vorgesehenen Verbrennungszone realisiert werden, das eine stabile Verbrennung und Leistungsabgabe sowie geringe Schadstoffemissionen ermöglicht. Das hierzu vorgeschlagene Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

• Zuführen von Verbrennungsluft und unverbranntem Brennstoff in eine verbrennungsfreie Mischzone, die im Bereich eines stromabwärtigen Endes des Brennerkopfs vorgesehen ist, um ein zündfähiges Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisch zu erzeugen;
• Zuführen des Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemischs in die Verbrennungszone; und
• Verbrennen des Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisches in der Verbrennungszone;
• wobei vor dem Zuführen von Verbrennungsluft in die verbrennungsfreie Mischzone mindestens ein erster Teil-Volumenstrom von Verbrennungsluft verdrallt wird;
• zusätzlich zu dem ersten Teil-Volumenstrom von verdrallter Verbrennungsluft und getrennt von diesem mindestens ein zweiter Teil-Volumenstrom von

Verbrennungsluft in die verbrennungsfreie Mischzone zugeführt wird; und

• mindestens ein zweiter Teil-Volumenstrom von Verbrennungsluft vor oder/und bei oder/und nach dem Zuführen in die verbrennungsfreie Mischzone zumindest um eine quer zur Strömungsrichtung verlaufende Richtung verwirbelt wird.

Mit anderen Worten kann das Verfahren je nach den konkreten Anwendungsbedingungen so ausgestaltet sein, dass die Verwirbelung des mindestens einen zweiten Teil-Volumenstroms innerhalb eines zweiten Strömungsquerschnitts erfolgt oder an dessen Ende, d.h. dem Übergang in die verbrennungsfreie Mischzone, oder innerhalb der verbrennungsfreien Mischzone. Vorrichtungsseitig kann dies beispielsweise dadurch realisiert sein, dass mindestens ein Wirbelelement innerhalb der verbrennungsfreien Mischzone angeordnet oder in diese hinein bewegbar ist.
In weiterer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine zweite Teil-Volumenstrom von Verbrennungsluft im Wesentlichen toroidal verwirbelt wird, d.h. dass sich hinter dem mindestens einen Wirbelelement ein torusförmiger Wirbel ausbildet. Ein Torus ist ein geometrisches Objekt, das in etwa die Gestalt eines Rettungsrings, Reifens oder Donuts hat.
Eine im Wesentlichen toroidale Verwirbelung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass am Übergang von der der Dralleinrichtung zur Mischzone, d.h. am jeweiligen stromabwärtigen Ende des ersten Strömungsquerschnitts und des zweiten Strömungsquerschnitts, am oder im zweiten Strömungsquerschnitt eine Wirbeleinrichtung mit mindestens einem Wirbelelement angeordnet ist, das beispielsweise eine glatte, d.h. stetige, beispielsweise kreisförmige, ellipsenförmige oder dergleichen Wirbelkante aufweist.
Es kann sich bei dem Wirbelelement beispielsweise um einen einfachen Blechring, also einen Ring mit einem RechteckQuerschnitt, handeln, der an der Außenseite des Drallrohres befestigt ist und einige Millimeter in den zweiten Strömungsquerschnitt hineinragt. Dieser kann im Rahmen einer Nachrüstlösung beispielsweise ein separates Teil sein, das an seinem inneren Ringdurchmesser Laschen mit Bohrungen aufweist, mittels derer der Ring mit dem Drallrohr verschraubt ist. Es bildet sich in dem zweiten Teil-Volumenstrom unmittelbar hinter dem Blechring eine toroidale Strömung aus, die sich anschließend mit der schraubenlinienförmigen Strömung des ersten Teil-Volumenstroms vermischt.
Alternativ oder zusätzlich kann bei dem vorgeschlagenen Verfahren vorgesehen sein, dass der mindestens eine zweite Teil-Volumenstrom von Verbrennungsluft im Wesentlichen so verwirbelt wird, dass er beim Eintritt in die verbrennungsfreie Mischzone eine Kärmänsche Wirbelstraße bildet. Als Kärmänsche Wirbelstraße bezeichnet man ein Phänomen in der Strömungsmechanik, bei dem sich hinter einem umströmten Körper gegenläufige Wirbel ausbilden. Der Charakter der Wirbelbildung wird im Wesentlichen von der Reynolds-Zahl Re bestimmt. Sie stellt das Verhältnis von Trägheits- zu Zähigkeitskräften dar und errechnet sich aus der Strömungsgeschwindigkeit, dem Durchmesser des Körpers und der Viskosität. Im einfachsten Fall, dem eines ortsfesten Zylinders in einer stationären Strömung, lassen sich anhand der Reynolds-Zahl verschiedene Ausbildungen der Wirbelstraße beobachten: Bei sehr kleinen Geschwindigkeiten findet überhaupt keine Strömungsablösung statt. Mit zunehmender Geschwindigkeit bilden sich auf der strömungsabgewandten Seite zwei gegenläufig rotierende Wirbelblasen aus, die zunehmend instabil werden und dann anfangen, eine typische, periodische Pendelbewegung zu zeigen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines verbesserten Brennerkopfes im Längsschnitt,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines verbesserten Brennerkopfes im Längsschnitt,
3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines verbesserten Brennerkopfes im Längsschnitt, und
4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines verbesserten Brennerkopfes im Längsschnitt.

Die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele basieren sämtlich auf dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 des Patents EP 2 037 173 B1 , sollen jedoch nicht dahingehend verstanden werden, dass die Erfindung nur auf dieses konkrete Ausführungsbeispiel anwendbar wäre. Vielmehr kann die vorgeschlagene Lösung zur Verbesserung aller vorbekannter Brennerköpfe angewendet werden, insbesondere solcher, die sich der Freiflammentechnologie bedienen, bei denen die Flamme also stromabwärts beabstandet vom Brennerkopf ausgebildet wird, und bei denen die Verbrennungsluft in mindestens zwei Teil-Volumenströmen der oder einer von mehreren Mischzonen zugeführt wird, wobei ein erster Teil-Volumenstrom schraubenlinienförmig verdrallt wird.
Wegen der Erläuterung von Merkmalen des aus dem Patent EP 2 037 173 B1 entnommenen Ausführungsbeispiels, die für die vorliegende Erfindung ohne Bedeutung sind und deshalb hierin nicht separat beschrieben werden, wird auf die dortigen Ausführungen verwiesen.
Der dargestellte Brennerkopf ist als Zweistoffbrenner ausgeführt, mit dem flüssige und gasförmige Brennstoffe (z.B. Öl, Gas) verbrannt werden können. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Lösung nicht nur bei Zweistoffbrennern, sondern selbstverständlich auch bei Einstoffbrennern vorteilhaft angewendet werden kann.
Der Brennerkopf wird nach außen von einem Brennerrohr 1 begrenzt, das ein stromaufwärts gelegenes, offenes erstes Ende 11 zum Einspeisen von Verbrennungsluft in das Brennerrohr 1 aufweist, und das ein stromabwärts gelegenes, offenes zweites Ende 12 zur Abgabe eines zündfähigen Gemischs aus Brennstoff und Verbrennungsluft aufweist. Das zweite Ende 12 ist zur Abgabe eines Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemischs ausgebildet, das vorher in einer Mischzone innerhalb des Brennerrohres 1 durch Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft gebildet wird.
Über einen ersten Brennstoffanschluss 21 kann flüssiger Brennstoff zugeführt werden, der über ein erstes Brennstoffrohr 2 einer im Bereich des zweiten Endes 12 des Brennrohres 1 angeordneten ersten Brennstoffdüse 22 zugeführt werden kann, die für flüssigen Brennstoff ausgelegt ist und solchen unter Druck abgeben kann. Das erste Brennstoffrohr 2 ist zentral und koaxial im Brennerrohr 1 angeordnet.
Über einen zweiten Brennstoffanschluss 31 kann gasförmiger Brennstoff zugeführt werden, der über ein zweites Brennstoffrohr 3 mehreren im Bereich des zweiten Endes 12 des Brennrohres 1 angeordneten Brennstoffdüsen 32 zugeführt werden kann, die für gasförmigen Brennstoff ausgelegt sind. Das zweite Brennstoffrohr 3 ist ebenfalls zentral und koaxial im Brennerrohr 1 angeordnet. Da das zweite Brennstoffrohr 3 einen größeren Durchmesser aufweist als das erste Brennstoffrohr 2, ist das erste Brennstoffrohr 2 im Innern des zweiten Brennstoffrohres 3 angeordnet und von diesem umschlossen.
An der Außenseite des zweiten Brennstoffrohres 3 ist eine Dralleinrichtung 4 angeordnet, die ein Drallrohr 41 sowie in dem Drallrohr 41 angeordnete Drallelemente 42 umfasst, die einen ersten Teil-Volumenstrom der am ersten Ende 11 des Brennerrohres 1 eingeleiteten Verbrennungsluft in eine schraubenlinienförmig verdrallte Strömung versetzt. Der zwischen der Außenseite des zweiten Brennstoffrohres 3 und der Innenseite des Drallrohres 41, das zentral und koaxial im Brennerrohr 1 angeordnet ist und das zweite Brennstoffrohr 3 umschließt, gebildete Ringspalt bildet hierfür einen ersten Strömungsquerschnitt.
Der außerhalb des Drallrohres 41 zwischen der Außenseite des Drallrohres 41 und der Innenseite des Brennerrohres 1 gebildete Ringspalt bildet einen zweiten Strömungsquerschnitt, durch den ein zweiter Teil-Volumenstrom der am ersten Ende des Brennerrohres 1 eingeleiteten Verbrennungsluft - zunächst weitgehend unbeeinflusst - strömt.
Am Ende des Drallrohres 41 schließt sich stromabwärts davon eine Mischzone an, in der die beiden Teil-Volumenströme der Verbrennungsluft nach dem Durchströmen des ersten Strömungsquerschnitts bzw. des zweiten Strömungsquerschnitts zusammengeführt und miteinander vermischt werden. Außerdem wird die so vermischte Verbrennungsluft mit dem oder den Brennstoffen durchmischt, die aus der ersten Brennstoffdüse 22 oder/und den zweiten Brennstoffdüsen 32 austreten.
Anschließend tritt das so gebildete Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisch am zweiten Ende 12 des Brennerrohres 1 durch die dort angeordneten Leiteinrichtungen 13, die sich von einer stirnseitig angeordneten ringförmigen Blende, der sogenannten Deltablende aus schräg in den Ausströmquerschnitt hinein erstrecken, aus dem Brennerkopf aus, so dass sich mit stromabwärtigem Abstand vor dem Brennerkopf eine Flamme ausbilden kann. Die verbrennungsfreie Mischzone, in der das zündfähige Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisch erzeugt wird, erstreckt sich dabei etwa vom Ende der Dralleinrichtung 4 bis zum stromabwärtigen Ende der Leiteinrichtungen 13 und gegebenenfalls auch darüber hinaus.
Am stromabwärts gelegenen Ende des zweiten Strömungsquerschnitts, d.h. im Bereich des Übergangs vom zweiten Strömungsquerschnitt in die Mischzone, ist eine Wirbeleinrichtung 5 mit mindestens einem Wirbelelement 51 in dem zweiten Strömungsquerschnitt angeordnet. Diese Wirbeleinrichtung 5, die eines oder auch mehrere, gegebenenfalls unterschiedlich gestaltete und an unterschiedlichen Stellen angebrachte Wirbelelemente 51 umfassen kann, erzeugt eine zumindest auch um eine quer zur Strömungsrichtung verlaufende Richtung verwirbelte Strömung des zweiten Teil-Volumenstroms der Verbrennungsluft, die anschließend in die stromabwärts der Dralleinrichtung 4 angeordnete Mischzone eintritt und sich mit dem zweiten, verdrallten Teil-Volumenstrom der Verbrennungsluft und dem Brennstoff vermischt.
In dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist ein Wirbelelement 51 in Form eines Blechrings an der Außenseite des Drallrohres 41 angebracht, das eine den zweiten Strömungsquerschnitt verkleinernde, konzentrisch zum Brennerrohr 1 angeordnete Wirbelkante 52 umfasst, wobei die Wirbelkante 52 stetig, genauer gesagt kreisförmig ausgebildet ist. Die inneren, dem Drallrohr 41 nahen Strömungslinien des zweiten Teil-Volumenstroms der Verbrennungsluft müssen diese Wirbelkante 52 umströmen, wodurch sich hinter dem Wirbelelement 51 ein toroidaler („donut-shaped“) Wirbelring ausbildet.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem ein Wirbelelement 51 zwischen der Innenseite des Brennerrohres 1 und der Außenseite des Drallrohres 41 angebracht ist. Dies kann beispielsweise durch (hier nicht dargestellte) stabförmige Abstandshalter, die sich in radialer Richtung entweder vom Brennerrohr 1 oder von der Dralleinrichtung 4 zum Wirbelelement 51 erstrecken, realisiert sein. Das Wirbelelement 51 selber hat einen kreisförmigen Querschnitt und somit keine ausgeprägte Wirbelkante, wodurch sich hinter dem Wirbelelement 51 eine Kärmänsche Wirbelstraße ausbildet.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist ein Wirbelelement 51 in Form eines Blechrings an der Innenseite des Brennerrohres 1 angebracht, das eine den zweiten Strömungsquerschnitt verkleinernde, konzentrisch zum Brennerrohr 1 angeordnete Wirbelkante 52 umfasst, wobei die Wirbelkante 52 unstetig, genauer gesagt gezahnt ausgebildet ist, wodurch sich hinter dem Wirbelelement 51 ein ungeordneter Wirbelring ausbildet.
Das in 4 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel zeigt einen Brennerkopf, bei dem an der Außenseite des Drallrohres 41 entlang dessen stromabwärtiger Hälfte ein Überrohr 43 mit Einlassöffnungen 44 angeordnet ist, das den zweiten Teil-Volumenstrom etwa in der Mitte des Drallrohres 41 in zwei zweite Teil-Volumenströme unterteilt. Der innere dieser beiden zweiten Strömungsquerschnitte wird durch den zwischen dem Drallrohr 41 und dem Überrohr 43 existierenden Ringspalt gebildet und der äußere dieser beiden zweiten Strömungsquerschnitte wird durch den zwischen dem Überrohr 43 und dem Brennerrohr 1 existierenden Ringspalt gebildet.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Wirbeleinrichtung 5 zwei Wirbelelemente 51. Ein erstes Wirbelelement 51 ist an der Innenseite des Überrohres 43, d.h. am äußeren Durchmesser des inneren zweiten Strömungsquerschnitts, an dessen stromabwärtigen Ende angeordnet. Ein zweites Wirbelelement 51 ist an der Außenseite des Überrohres 43, d.h. am inneren Durchmesser des äußeren zweiten Strömungsquerschnitts, ebenfalls an dessen stromabwärtigen Ende angeordnet.
Bezugszeichenliste

1: Brennerrohr
11: erstes Ende
12: zweites Ende
13: Leiteinrichtung
14: Deltablende
2: erstes Brennstoffrohr
21: erster Brennstoffanschluss
22: erste Brennstoffdüse
3: zweites Brennstoffrohr
31: zweiter Brennstoffanschluss
32: zweite Brennstoffdüse
4: Dralleinrichtung
41: Drallrohr
42: Drallelement
43: Überrohr
44: Einlassöffnung
5: Wirbeleinrichtung
51: Wirbelelement
52: Wirbelkante

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19509219 A1 [0003]
EP 1245901 A1 [0004]
DE 19704721 A1 [0004]
DE 102005038662 A1 [0004]
EP 2037173 B1 [0006, 0007, 0008, 0038, 0039]

Claims

Brennerkopf zur Verbrennung von Brennstoff in einer vom Brennerkopf stromabwärts beabstandeten Verbrennungszone, umfassend: • ein Brennerrohr (1) mit einem stromaufwärts gelegenen ersten Ende (11) zum Einspeisen von Verbrennungsluft in das Brennerrohr (1), und einem stromabwärts gelegenen zweiten Ende (12) zur Abgabe eines zündfähigen Gemischs aus Brennstoff und Verbrennungsluft; • mindestens ein in dem Brennerrohr (1) koaxial angeordnetes Brennstoffrohr (2,3) mit mindestens einer im Bereich des zweiten Endes (12) des Brennerrohres (1) angeordneten Brennstoffdüse (22,32), zur Zufuhr von Brennstoff in eine im Bereich des zweiten Endes (12) des Brennerrohres (1) angeordnete Mischzone; • eine in dem Brennerrohr (1) koaxial angeordnete Dralleinrichtung (4) mit einem Drallrohr (41) sowie darin angeordneten Drallelementen (42), das einen ersten Strömungsquerschnitt aufweist, der innen durch das mindestens eine Brennstoffrohr (2,3) und außen durch das Drallrohr (41) begrenzt ist, zur Zufuhr eines ersten Teil-Volumenstroms schraubenlinienförmig verdrallter Verbrennungsluft in die stromabwärts der Dralleinrichtung (4) angeordnete Mischzone; und • mindestens einen in dem Brennerrohr (1) koaxial angeordneten zweiten Strömungsquerschnitt, der innen durch das Drallrohr (41) oder mindestens ein das Drallrohr umschließendes Überrohr (43) und außen durch mindestens ein das Drallrohr umschließendes Überrohr (43) oder das Brennerrohr (1) begrenzt ist, zur Führung mindestens eines zweiten Teil-Volumenstroms von Verbrennungsluft getrennt von dem in der Dralleinrichtung (4) schraubenlinienförmig verdrallten ersten Teil-Volumenstrom von Verbrennungsluft in die stromabwärts der Dralleinrichtung (4) angeordnete Mischzone; dadurch gekennzeichnet, dass • vor oder/und an oder/und hinter dem Eintritt in die stromabwärts der Dralleinrichtung (4) befindliche Mischzone eine Wirbeleinrichtung (5) mit mindestens einem Wirbelelement (51) zur Verwirbelung mindestens eines zweiten Teil-Volumenstroms von Verbrennungsluft zumindest um eine quer zur Strömungsrichtung verlaufende Richtung angeordnet ist.
Brennerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Wirbelelement (51) mindestens eine, den zweiten Strömungsquerschnitt verkleinernde, konzentrisch zum Brennerrohr (1) angeordnete Wirbelkante (52) umfasst.
Brennerkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelkante (52) stetig ist.
Brennerkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelkante (52) unstetig ist.
Brennerkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wirbelelement (51) an der Außenseite des Drallrohres (41) angebracht ist.
Brennerkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wirbelelement (51) an der Innenseite des Brennerrohres (1) angebracht ist.
Brennerkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wirbelelement (51) zwischen der Innenseite des Brennerrohres (1) und der Außenseite des Drallrohres (41) angebracht ist.
Brennerkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dralleinrichtung (4) relativ zum Brennerrohr (1) axial verschiebbar ist.
Brennerkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbeleinrichtung (5) oder/und mindestens eines von mehreren Wirbelelementen (51) der Wirbeleinrichtung (5) relativ zur Dralleinrichtung (4) axial verschiebbar ist.
Brennerkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Brennerkopf gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 nachträglich eine Wirbeleinrichtung (5) gemäß kennzeichnendem Teil eines oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 9 angebracht ist.
Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff in einer von einem Brennerkopf stromabwärts beabstandeten, in einem Brennraum vorgesehenen Verbrennungszone, mit folgenden Schritten: • Zuführen von Verbrennungsluft und unverbranntem Brennstoff in eine verbrennungsfreie Mischzone, die im Bereich eines stromabwärtigen Endes des Brennerkopfs vorgesehen ist, um ein zündfähiges Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisch zu erzeugen; • Zuführen des Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemischs in die Verbrennungszone; und • Verbrennen des Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisches in der Verbrennungszone; • wobei vor dem Zuführen von Verbrennungsluft in die verbrennungsfreie Mischzone mindestens ein erster Teil-Volumenstrom von Verbrennungsluft verdrallt wird; und • zusätzlich zu dem ersten Teil-Volumenstrom von verdrallter Verbrennungsluft und getrennt von diesem mindestens ein zweiter Teil-Volumenstrom von Verbrennungsluft in die verbrennungsfreie Mischzone zugeführt wird; dadurch gekennzeichnet, dass • mindestens ein zweiter Teil-Volumenstrom von Verbrennungsluft vor oder/und bei oder/und nach dem Eintritt in die verbrennungsfreie Mischzone zumindest um eine quer zur Strömungsrichtung verlaufende Richtung verwirbelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine zweite Teil-Volumenstrom von Verbrennungsluft im Wesentlichen toroidal verwirbelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine zweite Teil-Volumenstrom von Verbrennungsluft im Wesentlichen so verwirbelt wird, dass er eine Kärmänsche Wirbelstraße bildet.