DE102021101418A1

DE102021101418A1 - Brenner für gasförmige Gemische mit niedrigem Heizwert

Info

Publication number: DE102021101418A1
Application number: DE102021101418.2A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-01-22
Filing date: 2021-01-22
Publication date: 2022-07-28
Anticipated expiration: 2041-01-23
Also published as: DE102021101418B4

Abstract

Ein Brenner zum Verbrennen von Brennstoff-Luft-Gemischen weist in einem Querschnitt einen spiralförmig ausgebildeten Brennstoffkanal (1) sowie einen spiralförmig gestalteten Luftkanal (2) auf. Der Brennstoffkanal (1) und der Luftkanal (2) sind ineinander und um eine Spiralachse S spiralförmig verschlungen und bilden eine Doppelspirale. Der Brenner weist eine Spiralwand (3) und ein Gehäuse (4) auf, wobei die Spiralwand (3) den Brennstoffkanal (1) sowie den Luftkanal (2) voneinander trennt und in dem Gehäuse (4) angeordnet ist. Der Brennstoffkanal (1) und der Luftkanal (2) sind an einem gemeinsamen axialen Ende in axialer Richtung offen und bilden dort eine Spiralmündung (7). In einem Längsschnitt steht ein radial innerer Abschnitt der Kontur der Spiralmündung (7) gegenüber einem radial äußeren Abschnitt der Kontur der Spiralmündung (7) in axialer Richtung um die Distanz D nach außen vor.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner zum Verbrennen von Brennstoff-Luft-Gemischen, insbesondere von Brenngas-Luft-Gemischen, sowie die Verwendung dieses Brenners für Brennstoffe mit niedrigem Heizwert.
Der Brenner weist in einem Querschnitt einen spiralförmig ausgebildeten Brennstoffkanal auf, wobei der Brenner in einem Querschnitt einen spiralförmig gestalteten Luftkanal umfasst, wobei der Brennstoffkanal und der Luftkanal ineinander und um eine Spiralachse spiralförmig verschlungen sind und eine Doppelspirale bilden, wobei der Brenner eine Spiralwand und ein Gehäuse aufweist, wobei die Spiralwand den Brennstoffkanal und den Luftkanal voneinander trennt, wobei die Spiralwand in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei der Brenner einen Brennstoffeinlass und einen Lufteinlass umfasst, wobei ein radial außen liegender Abschnitt des Brennstoffkanals mit dem Brennstoffeinlass verbunden ist, wobei der Brennstoffkanal und der Luftkanal an einem gemeinsamen axialen Ende in axialer Richtung offen sind und dort eine Spiralmündung bilden, wobei in einem Längsschnitt entlang der Spiralachse eine Kontur der Spiralmündung durch freie Kanten der Spiralwand definiert wird, wobei sich in axialer Richtung unmittelbar jenseits der freien Kanten ein Mischraum anschließt, in welchem sich Luft und Brennstoff mischen können, wobei ein der Spiralmündung in einem Längsschnitt axial gegenüberliegendes Stirnende der Spiralwand einem Boden des Gehäuses zugewandt ist.
Derartige, für die Verbrennung von heizwertarmen Gasen bzw. Schwachgasen vorgesehene Brenner sind aus DE 875 982 , DE 1 529 201 , DE 31 51 479 A1 , DD 260 413 A3 und DE 100 48 500 C2 bekannt und umfassen ein zylindrisches Gehäuse sowie eine in dem Gehäuse angeordnete Spiralwand. Die Spiralwand weist eine Längsachse bzw. Mittenachse (Spiralachse) auf, welche eine axiale, eine radiale, eine tangentiale sowie eine Umlaufrichtung definiert. Die Spiralwand ist über die Querschnitte hinweg im Wesentlichen konstant ausgebildet und definiert einen spiralförmigen Brennstoffkanal sowie einen spiralförmigen Luftkanal. Der Brennstoff- und der Luftkanal sind spiralförmig ineinander verschlungen und bilden im Querschnitt eine Doppelspirale.
Die bekannten Brenner weisen ferner einen Lufteinlass sowie einen Brennstoffeinlass auf, welche rohrförmig ausgestaltet sind und mit einem radial äußeren Bereich des spiralförmigen Luftkanals einerseits bzw. des spiralförmigen Brennstoffkanals andererseits verbunden sind. Beide Einlässe sind in tangentialer Richtung auf den jeweils äußeren Bereich des Luftkanals bzw. des Brennstoffkanals hin gerichtet, so dass die einströmende Luft bzw. der einströmende Brennstoff in Umlaufrichtung bzw. in Spiralrichtung tief in den jeweiligen Kanal gedrückt wird.
Der Brennstoffkanal und der Luftkanal sind an einem gemeinsamen axialen Ende in axialer Richtung offen, so dass die Spiralwand dort freie Kanten ausbildet. Diese freien Kanten ergeben zusammen eine Spiralmündung, weil sich hier ein spiralförmiger Brennstoffstrom mit einem spiralförmigen Luftstrom vermischt. Die Vermischung ist aufgrund der beiderseitigen Spiralförmigkeit sehr ausgeprägt, so dass eine gute bzw. weitgehend vollständige Verbrennung erreicht wird. Es werden keinerlei bewegliche Teile innerhalb des Brenners verwendet, so dass dieser Brenner sich durch eine besonders große Langlebigkeit auszeichnet.
Weiterhin nimmt die Gasgeschwindigkeit beider Ströme in Spiralrichtung ab, so dass die Gase im radial inneren Bereich der Spiralmündung in axialer Richtung an der Spiralmündung langsamer austreten als im radial äußeren Bereich. Hinzu kommt, dass die beiden Spiralkanäle als eine Art Puffer für Gasdruckschwankungen an den Einlässen dienen, wodurch die Gasgeschwindigkeiten im radial inneren Bereich konstanter sind als diejenigen in dem radial äußeren Bereich der Spiralmündung.
Im Ergebnis liegen im radial inneren Bereich der Spiralmündung relativ geringe und konstante Gasgeschwindigkeiten vor, wodurch die Flamme im inneren Bereich besonders stabil ist und nur unter ungünstigsten Umständen abreißt. Im äußeren Bereich etwaig abreißende Flammenteile, beispielweise aufgrund von Gasdruckschwankungen, werden durch den inneren Flammenteil sofort wieder entzündet. Im Ergebnis wird insgesamt eine effektive Verbrennung von Brennstoffen mit geringem Heizwert, beispielsweise Gichtgas, erreicht.
Nachteilig an diesen bekannten Brennern ist jedoch, dass die tatsächlich auf einen zu erwärmenden Körper einwirkende Wärme der bekannten Brenner hinter theoretisch erreichbaren Werten zurückfällt. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Brenner zu schaffen, welcher heizwertarme Brennstoffe möglichst vollständig verbrennt und welcher gleichzeitig eine höhere Wärmeübertragung als die bekannten Brenner erzielt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Brenner zum Verbrennen von Brennstoff-Luft-Gemischen, insbesondere von Brenngas-Luft-Gemischen, wobei der Brenner in einem Querschnitt einen spiralförmig ausgebildeten Brennstoffkanal aufweist, wobei der Brenner in einem Querschnitt einen spiralförmig gestalteten Luftkanal umfasst, wobei der Brennstoffkanal und der Luftkanal ineinander und um eine Spiralachse spiralförmig verschlungen sind und eine Doppelspirale bilden, wobei der Brenner eine Spiralwand und ein Gehäuse aufweist, wobei die Spiralwand den Brennstoffkanal und den Luftkanal voneinander trennt, wobei die Spiralwand in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei der Brenner einen Brennstoffeinlass und einen Lufteinlass umfasst, wobei ein radial außen liegender Abschnitt des Brennstoffkanals mit dem Brennstoffeinlass verbunden ist, wobei der Brennstoffkanal und der Luftkanal an einem gemeinsamen axialen Ende in axialer Richtung offen sind und dort eine Spiralmündung bilden, wobei in einem Längsschnitt entlang der Spiralachse eine Kontur der Spiralmündung durch freie Kanten der Spiralwand definiert wird, wobei sich in axialer Richtung unmittelbar jenseits der freien Kanten ein Mischraum anschließt, in welchem sich Luft und Brennstoff mischen können, wobei ein der Spiralmündung in einem Längsschnitt axial gegenüberliegendes Stirnende der Spiralwand einem Boden des Gehäuses zugewandt ist, wobei in einem Längsschnitt ein radial innerer Abschnitt der Kontur der Spiralmündung gegenüber einem radial äußeren Abschnitt der Kontur der Spiralmündung in axialer Richtung um die Distanz nach außen vorsteht.
Der Ausdruck „Brennstoff“ meint vorzugsweise ein Brenngas oder ein brennbares, homogenes Gasgemisch oder ein heterogenes, gasförmiges Gemisch („Aerosol“). Das Aerosol kann nebel- oder rauchartig sein (Gas + flüssige Teilchen oder Gas + feste Teilchen). Vorzugsweise die Spiralmündung definiert die Strahlrichtungen von Brennstoff und Luft und damit eine Ausrichtung der Flamme. Die Flamme mag eine mittlere Strahlachse aufweisen, welche vorzugsweise identisch ist zu einer Längsachse bzw. Mittenachse (Spiralachse S) der Spiralwand. Es ist bevorzugt, dass die Spiralachse S eine axiale, eine radiale, eine tangentiale sowie eine Umlaufrichtung definiert.
Es ist bevorzugt, dass das Gehäuse an einem dem Boden gegenüberliegenden axialen Ende eine Brenneröffnung aufweist. Zweckmäßigerweise ist die Spiralmündung der Brenneröffnung zugewandt bzw. zugeordnet. Die Kontur der Spiralmündung mag im Längsschnitt beispielsweise Kreisbogen-, Parabel-, Trapez-, Dreieck- oder stufenförmig ausgestaltet sein. Es ist sehr bevorzugt, dass sich die Distanz über den axial am weitesten vorstehenden Punkt und den am wenigsten weit axial vorstehenden Punkt der Kontur der Spiralmündung in einem Längsschnitt bestimmt.
Der Erfindung liegt zunächst die Erkenntnis zugrunde, dass die geringen Gasgeschwindigkeiten im radial inneren Bereich der Spiralmündung dafür sorgen, dass der dortige Flammenteil in axialer Richtung nur geringfügig von den radial inneren freien Kanten entfernt ist. Dies bedeutet zugleich, dass die heißeste Zone im radial inneren Bereich in axialer Richtung relativ nah an den radial inneren Kanten liegt. Demgegenüber ist der Bereich der heißesten Zone der Flammenteile in radial äußeren Bereichen aufgrund der höheren Strömungsgeschwindigkeiten in axialer Richtung weiter entfernt von den dortigen freien Kanten zu finden. In einem Längsschnitt des Brenners ist die heiße Zone folglich als Kurve ausgebildet, deren Scheitelpunkt sich im radial inneren Bereich nah an der Spiralmündung befindet. Dies gilt bereits für eine gerade Kontur der Spiralmündung, wie sie in DE 875 982 , DE 1 529 201 , DE 31 51 479 A1 und DD 260 413 A3 offenbart ist. In verstärktem Maße gilt dies für DE 100 48 500 C2 , weil dort zusätzlich noch die freien Kanten der Spiralmündung in einem radial äußeren Bereich gegenüber denjenigen eines radial inneren Bereiches in axialer Richtung vorstehen.
Es wurde gefunden, dass für die optimale Wärmeausbeute eines Brenners eine Flamme erforderlich ist, deren heißeste Zone an die Oberfläche des zu erwärmenden Körpers angepasst ist. In den meisten Fällen handelt es sich hierbei um einen Körper, dessen Oberfläche in einem Längsschnitt des Brenners im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse ausgerichtet und in einer bestimmten Entfernung zur Spiralmündung angeordnet ist. Folglich ist es von Vorteil, wenn die heißeste Zone der Flamme sich in einem Längsschnitt ebenfalls etwa senkrecht zur Längsachse erstreckt. Dann kann der Brenner in einer Entfernung zu dem zu erwärmenden Körper angeordnet werden, so dass die Oberfläche des zu erwärmenden Körpers mit dem Bereich der heißesten Zone der Flamme weitgehend in Übereinstimmung gebracht werden kann.
Darüber hinaus liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass die heißeste Zone in einem Längsschnitt am vorteilhaftesten begradigt wird, indem ein radial innerer Bereich der Spiralmündung gegenüber einem radial äußeren Bereich nach axial außen vorsteht. Die Kontur der Spiralmündung mag beispielsweise einem nach axial außen vorstehenden Kreisbogen, einer Parabel, einem Trapez, einem Dreieck oder dgl. entsprechen. Die Kontur kann auch lediglich einfach gestuft ausfallen, wodurch noch immer ein erheblicher Effekt der Begradigung erzielt wird. Durch die Begradigung im Längsschnitt der heißesten Zone der Flamme kann die Wärme präziser auf zumeist ebene bzw. relativ ebene Oberflächen übertragen werden, wodurch im Ergebnis die eingangs genannte Aufgabe gelöst wird.
Es ist sehr bevorzugt, dass sich die Spiralform des Brennstoffkanals und/oder des Luftkanals in einem Querschnitt über wenigstens 360°, vorzugsweise über wenigstens 720° und besonders vorzugsweise wenigstens über 900° erstreckt. Eine größere Zahl an Umläufen verstärkt diese Effekte der Durchmischung, der Pufferung und der Differenz der Gasaustrittsgeschwindigkeiten. Vorteilhafterweise erstreckt sich die Spiralform des Brennstoffkanals und/oder des Luftkanals in einem Querschnitt über höchstens 2.160° bzw. 1.800° bzw. 1.440°. Das Gehäuse ist vorzugsweise wenigstens axial abschnittsweise, vorzugsweise entlang von wenigstens 25 % bzw. 50 % bzw. 75 % bzw. 90 % der axialen Ausdehnung des Gehäuses hohlzylindrisch ausgestaltet. Das Gehäuse weist vorzugsweise einen Außendurchmesser A auf, welcher zweckmäßigerweise im Falle von mehreren Außendurchmessern der größte Außendurchmesser ist. Es ist bevorzugt, dass der Außendurchmesser A sich auf wenigstens 10 cm bzw. 20 cm bzw. 30 cm beläuft. Mit Vorteil beträgt der Außendurchmesser A höchstens 200 cm bzw. 150 cm.
Gemäß einer sehr bevorzugten Ausführungsform ist die Kontur der Spiralmündung in einem Längsschnitt nach axial außen wenigstens über einen radialen Abschnitt hinweg und vorzugsweise entlang der gesamten radialen Ausdehnung hinweg gewölbt. Der Begriff „gewölbt“ meint vorzugsweise eine gerundete Kontur. Die Spiralmündung mag insbesondere kreisbogen- oder parabelförmig gewölbt sein. Es ist sehr bevorzugt, dass ein radial innerster Abschnitt der am weitesten nach axial außen vorstehende Abschnitt der Kontur der Spiralmündung in einem Längsschnitt ist. Vorzugsweise ist die Kontur der Spiralmündung in einem Längsschnitt symmetrisch zur Längsachse bzw. Rotationsachse des Gehäuses bzw. zur Spiralachse ausgebildet. Zweckmäßigerweise ist die Kontur der Spiralmündung im Längsschnitt konvex geformt. Eine gerundete Kontur erlaubt eine präzisere Begradigung der Kontur als eine eckig bzw. stufig geformte Kontur.
Es ist sehr bevorzugt, dass sich der Mischraum in einem Längsschnitt in radialer Richtung wenigstens entlang eines Drittels bzw. der Hälfte der radialen Ausdehnung der Spiralwand erstreckt, wobei der Mischraum sich wenigstens 5 mm in axialer Richtung - beginnend von dem am weitesten axial nach außen vorstehenden Punkt der Spiralwand - erstreckt, wobei der Mischraum barrierefrei ausgebildet ist. Vorzugsweise erstreckt sich der Mischraum entlang von wenigstens 2/3 bzw. 3/4 der gesamten radialen Ausdehnung der Spiralwand. Vorzugsweise erstreckt sich der Mischraum wenigstens 10 mm bzw. 20 mm bzw. 30 mm in axialer Richtung beginnend von dem am weitesten axial nach außen vorstehenden Punkt der Spiralwand. Ein möglichst großer, barrierefreier Mischraum dient der ungehinderten Durchmischung des Brennstoffstroms mit dem Luftstrom und verringert außerdem Strömungswiderstände. Insbesondere erlaubt ein weitgehend bzw. vollständig barrierefreier Mischraum die besonders leichte, neuerliche Entzündung von äußeren Flammenteilen. Vorzugsweise umschließt das Gehäuse den Mischraum bzw. stellt das Gehäuse eine und bevorzugt die einzige radiale Begrenzung für den Mischraum dar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein innerster, wenigstens 360° bzw. 540° bzw. 720° bzw. 900° ausgedehnter spiralförmiger Umlauf des Brennstoffkanals und/oder des Luftkanals entlang wenigstens 25 % bzw. 50 % bzw. 75% bzw. 90 % bzw. 95 % bzw. 100 % der axialen Ausdehnung der Spiralwand im Querschnitt konstant ausgebildet. Dies erlaubt eine möglichst einfache bzw. günstige Herstellung der Spiralwand, weil diese lediglich durch Umkanten bzw. Aufrollen eines Blechs hergestellt werden kann. Der Begriff „axiale Ausdehnung“ bezieht sich vorzugsweise auf den Scheitelpunkt der Spiralmündung bzw. einen radial innersten Bereich der Spiralwand in einem Längsschnitt andererseits und den entsprechend axial zugeordneten Punkt am Stirnende der Spiralwand. Zweckmäßigerweise verlaufen wenigstens 25 % bzw. 50 % bzw. 75 % bzw. 90 % bzw. 95 % der in einem Längsschnitt erkennbaren Wände der Spiralwand in einem unmittelbar an die freien Kanten angrenzenden Abschnitt in einer Richtung parallel zur Längsachse bzw. Mittenachse bzw. Rotationsachse des Gehäuses. Der unmittelbar an die freien Kanten angrenzende Abschnitt der Spiralwand erstreckt sich vorzugsweise wenigstens entlang eines Viertels bzw. Drittels bzw. der Hälfte der axialen Ausdehnung des Brennstoffkanals bzw. des Luftkanals.
Es ist bevorzugt, dass der Brennstoffeinlass ein Brennstoffrohr und/oder der Lufteinlass ein Luftrohr umfasst, wobei das Brennstoffrohr und/oder das Luftrohr eine Mittenachse M_B bzw. M_L aufweist, wobei der Verlauf der Mittenachse M_B bzw. M_L in einer Vorderansicht bzw. in einem Querschnitt des Brenners tangential an einen radial äußeren Anschlussbereich des Brennstoffkanals bzw. des Luftkanals bzw. der Spiralwand bzw. des Gehäuses bzw. der Luftkammer anschließt. Der Begriff „tangential“ meint vorzugsweise eine Abweichung von +/-20° bzw. +/-10° bzw. +/-5° bzw. +/-2° von der mathematisch idealen Tangente. Der tangentiale Anschluss dient dazu, den einströmenden Brennstoff bzw. die einströmende Luft möglichst turbulenzfrei innerhalb des Gehäuses bzw. der Spiralwand in eine Umlaufrichtung bzw. Spiralrichtung zu zwingen.
Vorteilhafterweise beträgt ein Verhältnis aus einem Außendurchmesser A des Gehäuses zu der Distanz D höchstens 20 bzw. 15 bzw. 10. Zweckmäßigerweise beläuft sich ein Verhältnis aus dem Außendurchmesser A des Gehäuses zu der Distanz D auf wenigstens 1,5 bzw. 2 bzw. 3. Im Falle eines kleinen Verhältnisses von Außendurchmesser A zu Distanz D wird die heißeste Zone der Flamme entsprechend stärker verformt als im Falle von großen Verhältnissen. Im Falle von großen Verhältnissen liegt nur eine relativ geringe Wölbung bzw. ein relativ geringer Vorsprung der Spiralmündung vor. Ist die Distanz D zu groß gewählt, so wird die Form der heißesten Zone der Flamme überkompensiert. Ist die Distanz D hingegen zu klein ausgebildet, so wird die Form der heißesten Zone nur unterkompensiert. In einem Längsschnitt weist der Brennstoffkanal bevorzugt eine Breite B_B in radialer Richtung auf. In einem Längsschnitt besitzt der Luftkanal zweckmäßigerweise eine Breite B_L in radialer Richtung. Es bevorzugt, dass die Breite B_B bzw. B_L über wenigstens 50 % bzw. 75 % bzw. 90 % entlang der gesamten Spiralform in einem Querschnitt des Brenners konstant ist. Vorteilhafterweise beträgt ein Verhältnis der Distanz D zu der Breite B_B bzw. B_L höchstens Faktor 20 bzw. 15 bzw. 10 bzw. 7. Es ist bevorzugt, dass ein Verhältnis aus der Distanz D zu der Breite B_B bzw. B_L wenigstens Faktor 1 bzw. 1,5 bzw. 2 beträgt. Bei einer großen Breite B_B bzw. B_L liegt ein geringerer Strömungswiderstand in Spiralrichtung vor, sodass die entsprechenden Gasgeschwindigkeiten im radial innersten Bereich der Spiralmündung in axialer Richtung größer sind und sich den Gasgeschwindigkeiten im radial äußersten Bereich annähern. Dann muss die heißeste Zone weniger stark begradigt werden, sodass die Distanz D kleiner gestaltet werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Boden des Gehäuses in einem Längsschnitt des Brenners wenigstens um die Länge L von dem Stirnende der Spiralwand entfernt, wobei die Länge L eine Luftkammer definiert. Es ist bevorzugt, dass die Länge L wenigstens 30 % bzw. 50 % bzw. 75 % bzw. 90 % des Innendurchmessers des Lufteinlasses bzw. Luftrohrs in einem Längsschnitt des Brenners bzw. des Gehäuses entspricht. Die Luftkammer mag insbesondere als Druckkammer bzw. Pufferkammer dienen, um etwaige Druckschwankungen der herein strömenden Luft zu puffern. Es ist bevorzugt, dass die Luftkammer in Strömungsrichtung der Luft sich zwischen dem Lufteinlass und dem Kanal befindet. Das Vorsehen einer Luftkammer hat außerdem den Vorteil, dass der Lufteinlass nicht direkt an den Luftkanal angeschlossen werden muss, sodass ein Brenner mit Luftkammer fertigungstechnische Vorteile aufweist.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass der Brennstoffkanal und der Luftkanal im Querschnitt jeweils eine Schlusswand aufweisen, welche den nach innen führenden spiralförmigen Verlauf des Brennstoffkanals bzw. des Luftkanals beendet, wobei die beiden Schlusswände vorzugsweise einander überlappen. Besonders vorzugsweise überlappen sich die beiden Schlusswände vollständig. Zweckmäßigerweise entspricht die Spiralwand vor der Erzeugung der Spiralform einem Blech mit einem mittleren, kurzen Bereich und zwei daran anschließenden langen Schenkeln. Es ist bevorzugt, dass beginnend bei dem mittleren Bereich das Blech aufgerollt wird. Der mittlere Bereich kann beispielsweise als U ( DE 875 982 ) oder kantiges S mit zwei Biege- oder Schweißkanten ( DE 31 51 479 A1 ) ausgestaltet sein. Der beim Aufrollen zu bestimmende Abstand zwischen den beiden Schenkeln kann eine Breite B_B bzw. B_L des Brennstoffkanals bzw. des Luftkanals bestimmen. Bevorzugt definiert eine Steigung beim Aufrollen eine Breite B_L bzw. B_B des anderen Kanals. Es ist sehr bevorzugt, dass ein Verlauf der beiden sich überlappenden Schlusswände geradlinig ist bzw. einen geradlinigen Abschnitt aufweist und vorzugsweise zwei Biegekanten umfasst, sodass besonders vorzugsweise ein kantiges S vorliegt. Gemäß einer Ausführungsform folgen im Querschnitt die Schlusswände in der Spiralwand aufeinander und überlappen einander nicht, wie dies beispielsweise in DE 875 982 gezeigt ist. Es ist möglich, dass die beiden aufeinander folgenden Schlusswände einen S-förmigen Verlauf ohne Biegekanten bilden.
Es ist besonders bevorzugt, dass der Brenner so ausgebildet ist, dass der Brennstoff und die Luft erst in dem Mischraum aufeinandertreffen. Vorzugsweise ist der Brennstoffkanal am Stirnende wenigstens abschnittsweise und bevorzugt vollständig gegenüber dem Boden des Gehäuses bzw. der Luftkammer bzw. dem Lufteinlass verschlossen. Es ist möglich, dass der Brennstoffkanal mittels einer Abdichtung - beispielsweise in Form einer Verschweißung - wenigstens abschnittsweise entlang der Spiralform des Brennstoffkanals und vorzugsweise vollständig gegenüber der Luftkammer verschlossen ist. Es ist bevorzugt, dass in einem Längsschnitt ein Spalt zwischen der Spiralwand und dem Gehäuse angeordnet ist, sodass zweckmäßigerweise der Spalt die Luftkammer mit dem Mischraum verbindet. In einem Querschnitt des Brenners mag der Spalt zwischen der Spiralwand und dem Gehäuse in einer Umlaufrichtung wenigstens 180° bzw. 270° einnehmen. Eine Öffnung des Brennstoffkanals bzw. des Luftkanals an der Spiralmündung ist bevorzugt wenigstens abschnittsweise spiralförmig. Der Brennstoffkanal und/oder der Luftkanal ist/sind wenigstens entlang von 30 % bzw. 50 % bzw. 70 % bzw. 90 % des spiralförmigen Umlaufs an der Spiralmündung offen.
Vorzugsweise umfasst das Gehäuse einen Gehäuseflansch. Der Gehäuseflansch ist mit Vorteil in der axialen Hälfte bzw. in dem axialen Drittel angeordnet, welche bzw. welches der Brenneröffnung zugeordnet ist. Mit Vorteil umfasst der Lufteinlass einen Lufteinlassflansch. Bevorzugt umfasst der Brennstoffeinlass einen Brennstoffeinlassflansch.
Die eingangs genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Brenners für die Verbrennung eines Brennstoffes in Form eines Schwachgases, wobei das Schwachgas einen Heizwert unter 30 MJ/m³, vorzugsweise unter 20 MJ/m³, weiter vorzugsweise unter 10 MJ/m³, besonders vorzugsweise unter 7 MJ/m³ aufweist. Der Begriff „Brennwert“ wird vorzugsweise auch Heizwert Superior H_s oder oberer Heizwert H_o genannt und meint vorzugsweise die nutzbare Wärmemenge bezogen auf die Menge des eingesetzten Brennstoffs. Der Brennwert entspricht vorzugsweise dem absoluten Betrag der mit negativem Vorzeichen angegebenen Standardverbrennungsenthalpie und ist nicht mit dem Heizwert zu verwechseln. Der Ausdruck „Heizwert“ wird vorzugsweise auch Heizwert Inferior H_i oder unterer Heizwert H_u genannt und meint bevorzugt die nutzbare Wärmemenge bezogen auf die Menge des eingesetzten Brennstoffs, wobei es nicht zu einer Kondensation eines im Abgas enthaltenen Wasserdampfes kommt. Der Heizwert von wasserstoffreichen Brennstoffen ist deshalb deutlich niedriger als deren Brennwert, und zwar um den Betrag der Kondensationsenthalpie des bei der Verbrennung gebildeten Wassers. In die Gruppe der Starkgase fällt beispielsweise Erdgas, welches typischerweise Heizwerte zwischen 30 und 50 MJ/m³ aufweist. Häufige Vertreter von Schwachgasen sind insbesondere Kuppelgase, worunter Kokereigase, Konvertergase und Gichtgase fallen. Kokereigase mögen einen Heizwert von 15,5 bis 18,9 MJ/m³ besitzen. Konvertergase haben Heizwerte von beispielsweise 8 MJ/m³, wohingegen Gichtgase um einen Heizwert von etwa 4 MJ/m³ angesiedelt sind. Ein anderes Beispiel eines Schwachgases ist Wasserstoff, welcher einen Heizwert von ca. 11 MJ/m³ aufweist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Figuren eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

1 eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Brenners und
2 eine Seitenansicht des Brenners aus 1 mit teilweisem Längsschnitt.

Der Brenner dieses Ausführungsbeispiels umfasst eine Spiralwand 3, welche in einem Gehäuse 4 angeordnet ist. Aufgrund der Vorderansicht sind in 1 lediglich die Kanten der Spiralwand 3 sowie des bevorzugt zylindrisch ausgeformten Gehäuses 4 mit einem Außendurchmesser A erkennbar. An einer Außenseite des Gehäuses 4 ist vorzugsweise ein Gehäuseflansch 16 angeordnet, welcher einen Brennstoffeinlass 5 sowie einen Lufteinlass 6 in der Vorderansicht teilweise verdeckt. Der Gehäuseflansch 16 dieses Ausführungsbeispiels umfasst vier Befestigungsmittel 21 in Form von Bohrungen, welche der Befestigung des Brenners dienen. Als Brennstoff wird in diesem Ausführungsbeispiel ein Gichtgas und damit ein heizwertarmes Gas mit einem beispielsweisen Heizwert von 4 MJ/m³ verwendet.
Nach 1 ist die Spiralwand 3 als Doppelspirale ausgebildet, welche einen Brennstoffkanal 1 mit einer Kanalbreite B_B sowie einen Luftkanal 2 mit einer Kanalbreite B_L aufweist. Der Brennstoffkanal 1 und der Luftkanal 2 verlaufen vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander, wobei die Strömungen des Brennstoffs als auch der Luft aufgrund der aufgezwungenen Strömungsrichtung in Umlaufrichtung von einem äußeren Bereich der Spiralwand 3 hin zu einem inneren Bereich der Spiralwand 3 laufen. Sowohl der Brennstoffkanal 1 als auch der Luftkanal 2 dieses Ausführungsbeispiels besitzen drei volle Umläufe von außen nach innen. Am inneren Ende werden der Brennstoffkanal 1 und der Luftkanal 2 jeweils durch eine Schlusswand 14 bzw. 15 in Strömungsrichtung begrenzt. Vorzugsweise sind die Schlusswände 14, 15 dabei Bestandteil ein und desselben geradlinigen Abschnitts der Spiralwand 3 in einer Vorderansicht.
Der Brennstoffeinlass 5 umfasst gemäß 1 vorzugsweise einen Brennstoffeinlassflansch 17 zum Anschluss an eine weiterführende und zweckmäßigerweise nicht dargestellte Rohrleitung. Der Brennstoffeinlass 5 mag ferner ein Brennstoffrohr 10 aufweisen, welches den Brennstoff vom Brennstoffeinlassflansch 17 hin zu dem Brennstoffkanal 1 führt. Das Brennstoffrohr 10 dieses Ausführungsbeispiels krümmt sich in Richtung des Gehäuses, um einen möglichst gleichmäßigen Übergang von den typischerweise mit kreisrundem Innenquerschnitt ausgestatteten, weiterführenden Rohrleitungen hin zu dem Brennstoffkanal 1 zu schaffen. Letztlich dient das Brennstoffrohr 10 als ein Adapter, welches auch durch seine Mittenachse M_B charakterisiert wird. Ebenso umfasst in diesem Ausführungsbeispiel der Lufteinlass 6 einen Lufteinlassflansch 18 sowie ein Luftrohr 11 mit einer Mittenachse M_L. Das Luftrohr 11 führt die Luft zweckmäßigerweise zu dem Luftkanal 2. In der Vorderansicht dieses Ausführungsbeispiels werden die Radien der Mittenachsen M_B, M_L kontinuierlich verringert, bis sie in etwa den Radius des Gehäuses 4 erreicht haben. Dort entsprechen die Mittenachsen M_B, M_L der tangentialen Richtung des Gehäuses 4. Dies minimiert Turbulenzen und damit auch die Strömungswiderstände. Vorzugsweise ist die Mittenachse M_B bzw. M_L des Brennstoffrohrs 10 bzw. Luftrohrs 11 gekrümmt, um den Brennstoff bzw. die Luft innerhalb des Gehäuses 4 in eine Umlaufrichtung bzw. Spiralrichtung innerhalb der Spiralwand 3 zu zwingen.
Die Spiralwand 3 mag durch ein einziges Blech hergestellt werden, wobei zunächst die beiden Biegekanten der Schlusswände 14, 15 erzeugt werden können. Danach kann dieses mit den Biegekanten versehene Blech nach und nach aufgerollt werden, bis die in 1 erkennbare Spiralform entstanden ist. Die Spiralform der Spiralwand 3 weist im Querschnitt eine Spiralachse S auf, welche in 1 nicht erkennbar ist. Die Spiralachse S definiert bevorzugt die Richtungen des Brenners und damit eine axiale, eine radiale, eine tangentiale Richtung sowie eine Umlaufrichtung.
In 2 ist der Brenner in einer Seitenansicht dargestellt, wobei in 2 im rechten Teil die Seitenansicht jedoch in einen Längsschnitt übergeht. Das hohlzylindrische Gehäuse 4 dieses Ausführungsbeispiels weist in 2 an seinem linken Ende einen Boden 13 auf, während es bevorzugt an seinem rechten Ende offen ist und eine Brenneröffnung 19 definiert. Die Spiralwand 3 dieses Ausführungsbeispiels umfasst ein Stirnende 12, welches dem Boden 13 zugewandt ist. Das Stirnende 12 und der Boden 13 sind zweckmäßigerweise um eine Länge L in axialer Richtung voneinander beabstandet und definieren dadurch eine Luftkammer 20. Es ist bevorzugt, dass der Brennstoffkanal 1 am Stirnende 12 der Spiralwand 3 gegenüber der Luftkammer 20 verschlossen ist, was beispielsweise durch entsprechende Verschweißung realisiert wird. Demgegenüber ist der Luftkanal 2 am Stirnende 12 offen ausgebildet, so dass die Luft über das Luftrohr 11 und die Luftkammer 20 in den Luftkanal 2 strömen kann.
An einem dem Stirnende 12 gegenüberliegenden axialen Ende der Spiralwand 3 sind sowohl der Brennstoffkanal 1 als auch der Luftkanal 2 in axialer Richtung offen ausgebildet. Dort weist die Spiralwand 3 freie Kanten 8 auf, welche in axialer Richtung enden und gemeinsam eine Spiralmündung 7 bilden. Die Spiralmündung 7 dieses Ausführungsbeispiels weist in dem Längsschnitt eine Kontur auf, welche im Wesentlichen einem Kreisbogen entspricht. Der am weitesten nach axial außen vorstehende, radial innenliegende Abschnitt der Kontur der Spiralmündung 7 steht dabei nun die Distanz D in axialer Richtung gegenüber den am wenigsten axial vorstehenden, radial äußeren Bereich der Spiralmündung 7 vor. Die Spiralmündung 7 sowie die Brenneröffnung 19 bzw. das Gehäuse 4 definieren gemeinsam einen Mischraum 9.
Der Brennstoff und die Luft strömen durch das Brennstoffrohr 10 bzw. das Luftrohr 11 in tangentialer Richtung in den Brennstoffkanal 1 bzw. in die Luftkammer 20. Aufgrund der tangentialen Einströmung besitzt der Brennstoffstrom eine ausgeprägte Richtungskomponente in Umlaufrichtung, so dass der Brennstoff tief in den spiralförmigen Brennstoffkanal 1 hineingedrückt wird. Aufgrund der Abdichtung des Brennstoffkanals 1 am Stirnende 12 der Spiralwand 3 kann der Brennstoff dann aber lediglich noch in axialer Richtung hin zur Spiralmündung 7 entweichen. Der an der Spiralmündung 7 bzw. den freien Kanten 8 entweichende Brennstoffstrom ist in einem Querschnitt des Brenners somit spiralförmig.
Der Luftstrom besitzt in der Luftkammer 20 ebenfalls eine starke Richtungskomponente in Umlaufrichtung, wobei stets weitere Luft nachströmt, so dass auch die Luft lediglich in axialer Richtung hin zur Brenneröffnung 19 entweichen kann. Die starke Richtungskomponente in Umlaufrichtung führt auch im Falle des Luftstroms dazu, dass die Luft tief in die Spiralform des Luftkanals 2 hineingedrückt wird und schließlich an der Spiralmündung 7 in axialer Richtung austritt. Auch der Luftstrom ist an der Spiralmündung 7 im Querschnitt des Brenners spiralförmig ausgebildet, wie es die Spiralwand 3 bzw. der Luftkanal 2 vorgibt. Aufgrund der Abdichtung des Brennstoffkanals 1 am Stirnende 12 der Spiralwand 3 kommen der Brennstoff und die Luft erst an der Spiralmündung 7 bzw. im Mischraum 9 miteinander in Kontakt. Wegen der Spiralförmigkeit des Brennstoffstroms und des Luftstroms Im Mischraum 9 liegt eine sehr große Grenzfläche zwischen dem Brennstoffstrom und dem Luftstrom vor.
Durch die Vermeidung einer Vormischung liegt an der Spiralmündung 7 dann eine Diffusionsflamme an, welche allerdings aufgrund der Spiralförmigkeit des Luftstroms und des Brennstoffstroms in der Flammzone sehr intensiv durchmischt wird. Damit kombiniert der erfindungsgemäße Brenner den Vorteil der Diffusionsflamme mit dem Vorteil der Vormischflamme. Denn aufgrund der intensiven Durchmischung im Mischraum 9 und auch noch dahinter wird eine weitgehend vollständige Verbrennung - wie bei einer Vormischflamme - des Brennstoffs erreicht und damit auch eine relativ hohe Temperatur mit nur geringer Rußbildung. Gleichzeitig ist die Brennerflamme des erfindungsgemäßen Brenners auch stabil wie eine Diffusionsflamme, weil aufgrund der Vermischung erst ab dem Mischraum 9 die Flamme im Falle einer zu geringen Flammengeschwindigkeit weder abheben noch im Falle von einer zu niedrigen Gasgeschwindigkeit in den Brenner eindringen kann. Außerdem kann die Flamme auch leicht entzündet werden, weil sich in den Grenzbereichen zwischen spiralförmigem Luftstrom und spiralförmigem Brennstoffstrom immer Zonen finden, in welchen das Brennstoff-Luft-Verhältnis relativ fett ist.
Das Eindringen des Brennstoffs in den Brennstoffkanal 1 bzw. der Luft in den Luftkanal 2 ist in Umlaufrichtung bzw. in Spiralrichtung mit einem nicht unerheblichen Strömungswiderstand verbunden. Folglich schwächt sich der Brennstoffstrom bzw. der Luftstrom zum Zentrum der Spirale hin ab, so dass die radial innenliegenden Gasgeschwindigkeiten an der Spiralmündung 7 in axialer Richtung relativ gering sind. Demgegenüber sind die Gasgeschwindigkeiten in radial äußeren Bereichen an der Spiralmündung 7 deutlich größer. Folglich sind die radial außenliegenden Flammenteile in axialer Richtung langgestreckter als die radial innenliegenden Flammenteile.
Dies hat zur Folge, dass die heiße Zone der radial außenliegenden Flammenteile weiter entfernt ist von den zugeordneten freien Kanten 8 als die radial innenliegende heißeste Zone der Flamme zu den ihr zugeordneten freien Kanten 8. Somit führt die in 2 dargestellte, nach axial außen gewölbte Kontur der Spiralmündung 7 dazu, dass die heißeste Zone der gesamten Flamme entlang des Durchmessers der Flamme in axialer Richtung begradigt wird, sodass die heißeste Zone etwa parallel zur Ebene der Brenneröffnung 19 ausgerichtet ist. Im Ergebnis führt die Erfindung dazu, dass die heißeste Zone der Brennerflamme auf eine Fläche der Ebene parallel zur Brenneröffnung 19 bzw. senkrecht zu der Spiralachse S fokussiert werden kann. Damit ist die heißeste Zone deutlich weniger in axialer Richtung ausgedehnt, was eine präzisere Erwärmung von Flächen parallel zur Brenneröffnung 19 erlaubt, wodurch die Wärmeübertragung erhöht und die eingangs genannte Aufgabe gelöst wird.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffkanal
2: Luftkanal
3: Spiralwand
4: Gehäuse
5: Brennstoffeinlass
6: Lufteinlass
7: Spiralmündung
8: Freie Kanten
9: Mischraum
10: Brennstoffrohr
11: Luftrohr
12: Stirnende
13: Boden
14, 15: Schlusswände
16: Gehäuseflansch
17: Brennstoffeinlassflansch
18: Lufteinlassflansch
19: Brenneröffnung
20: Luftkammer
21: Befestigungsmittel
S: Spiralachse der Spiralwand
MB: Mittenachse des Brennstoffkanals
A: Außendurchmesser des Gehäuses
BB: Breite des Brennstoffkanals
ML: Mittenachse des Luftkanals
L: Länge der Luftkammer
BL: Breite des Luftkanals
D: Distanz an Spiralmündung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 875982 [0003, 0012, 0022]
DE 1529201 [0003, 0012]
DE 3151479 A1 [0003, 0012, 0022]
DD 260413 A3 [0003, 0012]
DE 10048500 C2 [0003, 0012]

Claims

Brenner zum Verbrennen von Brennstoff-Luft-Gemischen, insbesondere von Brenngas-Luft-Gemischen, wobei der Brenner in einem Querschnitt einen spiralförmig ausgebildeten Brennstoffkanal (1) aufweist, wobei der Brenner in einem Querschnitt einen spiralförmig gestalteten Luftkanal (2) umfasst, wobei der Brennstoffkanal (1) und der Luftkanal (2) ineinander und um eine Spiralachse S spiralförmig verschlungen sind und eine Doppelspirale bilden, wobei der Brenner eine Spiralwand (3) und ein Gehäuse (4) aufweist, wobei die Spiralwand (3) den Brennstoffkanal (1) und den Luftkanal (2) voneinander trennt, wobei die Spiralwand (3) in dem Gehäuse (4) angeordnet ist, wobei der Brenner einen Brennstoffeinlass (5) und einen Lufteinlass (6) umfasst, wobei ein radial außen liegender Abschnitt des Brennstoffkanals (1) mit dem Brennstoffeinlass (5) verbunden ist, wobei der Brennstoffkanal (1) und der Luftkanal (2) an einem gemeinsamen axialen Ende in axialer Richtung offen sind und dort eine Spiralmündung (7) bilden, wobei in einem Längsschnitt entlang der Spiralachse S eine Kontur der Spiralmündung (7) durch freie Kanten (8) der Spiralwand (3) definiert wird, wobei sich in axialer Richtung unmittelbar jenseits der freien Kanten (8) ein Mischraum (9) anschließt, in welchem sich Luft und Brennstoff mischen können, wobei ein der Spiralmündung (7) in einem Längsschnitt axial gegenüberliegendes Stirnende (12) der Spiralwand (3) einem Boden (13) des Gehäuses zugewandt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Längsschnitt ein radial innerer Abschnitt der Kontur der Spiralmündung (7) gegenüber einem radial äußeren Abschnitt der Kontur der Spiralmündung (7) in axialer Richtung um die Distanz D nach außen vorsteht.
Brenner nach Anspruch 1, wobei sich die Spiralform des Brennstoffkanals (1) und/oder des Luftkanals (2) in einem Querschnitt über wenigstens 360°, vorzugsweise über wenigstens 720° und besonders vorzugsweise über wenigstens 900° erstreckt.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Kontur der Spiralmündung (7) in einem Längsschnitt nach axial außen gewölbt ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich der Mischraum (9) in einem Längsschnitt in radialer Richtung wenigstens entlang eines Drittels bzw. der Hälfte der radialen Ausdehnung der Spiralwand (3) erstreckt, wobei der Mischraum (9) sich wenigstens 5mm in axialer Richtung - beginnend von dem jeweils axial zugehörigen Punkt der Spiralmündung (7) - erstreckt, wobei der Mischraum (9) barrierefrei ausgebildet ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei entlang von wenigstens 50% bzw. 75% bzw. 90% der axialen Ausdehnung der Spiralwand (3) ein innerster, im Querschnitt wenigstens 360° ausgedehnter spiralförmiger Umlauf des Brennstoffkanals (1) und/oder des Luftkanals (2) konstant ausgebildet ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Brennstoffeinlass (5) ein Brennstoffrohr (10) umfasst, wobei das Brennstoffrohr (10) eine Mittenachse M_B aufweist, wobei der Verlauf der Mittenachse M_B in einer Vorderansicht des Brenners tangential an einen radial äußeren Anschlussbereich des Brennstoffkanals (1) bzw. des Gehäuses (4) anschließt.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Verhältnis aus einem Außendurchmesser A des Gehäuses (4) zu der Distanz D höchstens 20 bzw. 15 bzw. 10 beträgt.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Brennstoffkanal (1) und der Luftkanal (2) im Querschnitt jeweils eine Schlusswand (14, 15) aufweisen, welche den nach innen führenden spiralförmigen Verlauf des Brennstoffkanals (1) bzw. des Luftkanals (2) beendet, wobei die beiden Schlusswände (14, 15) vorzugsweise einander überlappen.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Brenner so ausgebildet ist, dass der Brennstoff und die Luft erst in dem Mischraum (9) aufeinander treffen.
Verwendung eines Brenners nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für die Verbrennung eines Brennstoffes in Form eines Schwachgases, wobei das Schwachgas einen Heizwert unter 30MJ/m3, vorzugsweise unter 20MJ/m3, weiter vorzugsweise unter 10MJ/m3 und besonders vorzugsweise unter 7MJ/m3 aufweist.