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Die Erfindung betrifft einen Brenner
für eine thermische
Nachverbrennungsvorrichtung mit einer Brenndüse, die einen im wesentlichen
hohlzylindrischen, an einem Ende durch einen Deckel zumindest nahezu
verschlossenen Grundkörper
aufweist, dem in axialer Richtung Brenngas mit einem bestimmten Druck
zugeführt
wird, das über
eine Mehrzahl von Hauptausströmöffnungen
in radialer Richtung ausströmt.
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Thermische Nachverbrennungsvorrichtungen
sollen mit einem möglichst
guten Wirkungsgrad, also mit einer möglichst geringen Brennerleistung, die
in der zu entsorgenden Abluft mitgeführten Verunreinigungen möglichst
vollständig
verbrennen. Unter dem Gesichtpunkt der vollständigen Verbrennung wäre eine
verhältnismäßig hohe
Temperatur der von dem Brenner erzeugten Flamme günstig; allerdings wächst mit
zunehmender Temperatur die Bildung von unerwünschten Stickstoffoxiden.
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Bei bekannten Brennern der eingangs
genannten Art, wie sie derzeit auf dem Markt zu finden sind, besitzt
der Grundkörper
der Brenndüse
einen verhältnismäßig kleinen
Durchmesser; die Hauptausströmöffnungen
für das
Brenngas befinden sich direkt in dem Mantel des Grundkörpers.
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Im Betrieb bildet sich um den Endbereich
der Brenndüse
ein einheitlicher Flammenball, der bei einer bestimmten Brennerleistung
zumindest im Inneren eine unerwünscht
hohe Temperatur besitzt. Die Folge ist die Bildung unerwünschter
Stickoxide.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, einen Brenner der eingangs genannten Art so auszubilden,
daß ohne
Einbuße
an Brennerleistung die Bildung von Stickoxiden reduziert ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß die
Hauptausströmöffnungen
in einem solchen radialen Abstand von der Achse des Grundkörpers angeordnet
sind und einen solchen Querschnitt aufweisen, daß sich bei dem bestimmten Druck
des zugeführten
Brenngases an den Hauptausströmöffnungen
Einzelflammen bilden, die sich gegenseitig im wesentlichen nicht überlappen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Brenner
wird also der Flammenball, der sich bei den Brennern nach dem Stande
der Technik findet, aufgelöst
in eine Vielzahl von Einzelflammen, von denen jede mit einer erheblich
niedrigeren Temperatur brennt als der bekannte Flammenball. Beim
Verbrennen der in der Abluft enthaltenen Verunreinigungen entstehen
somit deutlich weniger Stickoxide, was aus Umweltschutzgründen sehr
erwünscht
ist.
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Grundsätzlich könnte das Ziel, statt eines
zusammenhängenden
Flammenballs eine Vielzahl von Einzelflammen zu erzeugen, dadurch
erreicht werden, daß dem
Endbereich des Grundkörpers,
in dem die Hauptausströmöffnungen
vorgesehen sind, ein entsprechend großer Radius gegeben wird und
die Flächen
der Hauptausströmöffnungen
mit dem Gasdruck so abgestimmt werden, daß die unerwünschte Überlappung der Einzelflammen
vermieden wird. Allerdings ist die Zufuhr der zu entsorgenden Abluft
zu den Flammen bei dieser Ausgestaltung noch nicht optimal.
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Bevorzugt wird daher eine Ausgestaltung
der Erfindung, bei welcher sich die Hauptausströmöffnungen an den Enden von Ausströmrohren
befinden, die von dem Grundkörper
sternförmig
nach außen
ragen. Die Abluft kann auf diese Weise durch die Zwischenräume zwischen
den Ausströmrohren
zu den Einzelflammen zuströmen.
Außerdem
können
die Zwischenräume
für die
Sichtüberwachung
der Flamme genutzt werden.
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Zweckmäßig ist ferner, wenn in dem
Deckel und/oder in dem deckelnahen Bereich des Grundkörpers mindestens
eine kleinflächige
Durchtrittsöffnung vorgesehen
ist, wobei die Gesamtfläche
aller kleinflächiger
Durchtrittsöffnungen
im Deckel und/oder dem Grundkörper
kleiner als die Gesamtfläche
aller Hauptausströmöffnungen
ist. Durch diese Maßnahme
wird neben den die eigentliche Brennerleistung liefernden Einzelflammen,
die im wesentlichen radial gerichtet sind, eine etwa axial gerichtete
Zentralflamme erzeugt. Diese wird hauptsächlich im Zusammenwirken mit
einem Flammendetektor, beispielsweise einer UV-Diode oder einem
Ionisationsdetektor, dazu eingesetzt, die Flamme zu überwachen.
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Vorteilhaft ist weiter, wenn in mindestens
einem Ausströmrohr
eine kleinflächige
Durchtrittsöffnung
für eine
Zündflamme
bildendes Brenngas vorgesehen ist. Das aus dieser kleinflächigen Durchtrittsöffnung ausströmende Brenngas
wird bei Inbetriebnahme des Brenners einer geeigneten Zündvorrichtung
zugeführt.
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Der erfindungsgemäße Effekt, durch eine Verlagerung
der Hauptausströmöffnungen
für das Brenngas
radial nach außen
statt eines einzigen Feuerballes eine Mehrzahl von Einzelflammen
zu erzeugen, läßt sich
nach weiter dadurch verstärken,
daß eine
Verwirbelungseinrichtung vorgesehen ist, welche die die Brenndüse umströmende, schadstoffhaltige
Abluft in eine Wirbelströmung
versetzt. Die von dieser Wirbelströmung hervorgerufene Zentrifugalkraft
drängt
die Einzelflammen noch weiter nach außen; hierdurch erhöht sich
der Abstand zwischen den Einzelflammen und die mittlere Temperatur
sinkt weiter. Das Ergebnis ist ein noch geringerer Gehalt an Stickstoffoxiden
in der behandelten Abluft.
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Die Verwirbelungseinrichtung umfaßt zweckmäßigerweise
mindestens einen Satz von sich speichenartig radial nach außen erstreckenden
Schaufeln.
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Eine noch bessere Wirkung wird erreicht, wenn
die Verwirbelungseinrichtung einen ersten Satz von Schaufeln, die
sich zwischen einem die Brenndüse
koaxial umgebenden Brenndüsengehäuse und
einem Zwischenring erstrecken, und einen zweiten Satz von Schaufeln,
die sich zwischen dem Zwischenring und einem Außenring erstrecken, umfasst.
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Dabei kann zumindest ein Teil der
Schaufeln eine in sich tordierte Form aufweisen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen
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1 schematisch
einen Brenner für
eine thermische Nachverbrennungsvorrichtung;
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2 die
Draufsicht auf eine Verwirbelungseinrichtung, die bei dem Brenner
der 1 Verwendung findet;
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3 einen
Axialschnitt durch eine Brenndüse
für eine
thermische Nachverbrennungsvorrichtung;
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4 die
Draufsicht auf den Endbereich der Brenndüse von 1;
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5 die
Seitenansicht einer Schaufel einer in dem Brenner der 1 und 2 enthaltenen Verwirbelungseinrichtung.
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Der in 1 dargestellte
Brenner 10 ist so ausgebildet, daß er durch eine Öffnung in
dem isolierten Außengehäuse einer
thermischen Nachverbrennungsvorrichtung eingeführt werden kann. Er besitzt
hierzu ein Paßstück 11,
das selbst eine Isolierschicht enthält kann und in montiertem Zustand
die Öffnung
in dem Außengehäuse der
thermischen Nachverbrennungsvorrichtung verschließt. Ein
zylindrisches Brennergehäuse 12 ragt
in den Innenraum der thermischen Nachverbrennungsvorrichtung hinein
und trägt
an seinem inneren Ende eine Verwirbelungseinrichtung, die insgesamt
das Bezugszeichen 13 trägt.
Einzelheiten dieser Verwirbelungseinrichtung 13 werden
weiter unten erläutert.
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In 1 ist
die Brennkammerwand 14 der thermischen Nachverbrenuungsvorrichtung
im Bereich einer Öffnung 15 dargestellt,
in welcher ein zylindrisches Flammrohr 16 koaxial zum Brennergehäuse 12 befestigt
ist.
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Das Brennergehäuse 12 wird koaxial
von einer Brenndüse 1 durchsetzt,
deren rechter Endbereich in den Figuren 3 und 4 in
größerem Maßstab dargestellt
ist. Dieser Endbereich ragt durch die Öffnung 15 der Brennkammerwand 14 in
die Brennkammer hinein. Die Brenndüse 1 wird von einer
außerhalb
des Paßstückes 11 angeordneten
Anschlußöffnung 17 mit
Brenngas versorgt.
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Die Brenndüse 1 umfaßt einen
hohlzylindrischen Grundkörper
1a,
der an seinem der nicht dargestellten Brennkammer zugewandten Ende
durch einen Deckel 2 verschlossen ist. Der Deckel 2 wird von
drei kleinen Durchtrittsöffnungen 3,
die untereinander einen Winkelabstand von 120° aufweisen, durchstoßen.
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Auch die Mantelfläche des Grundkörpers 1a wird
von Durchtrittsöffnungen 4 durchsetzt,
die sich in einer einen verhältnismäßig geringen
Abstand von dem Deckel 2 besitzenden Ebene befinden. Wie
die 4 deutlich macht,
besitzt die dargestellte Brenndüse 1 vier
derartige Durchtrittsöffnungen 4,
die voneinander einen Winkelabstand von jeweils 90° aufweisen.
Die Funktion der Durchtrittsöffnungen 3, 4 wird
weiter unten erläutert.
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In größerem axialem Abstand von dem
Deckel 2 sind in den Mantel des Grundkörpers 1a insgesamt
8 Durchtrittsöffnungen 5 eingebracht,
die einen deutlich größeren Durchmesser
als die Durchtrittsöffnungen 3 und 4 besitzen.
Die Durchtrittsöffnungen 8 besitzen
voneinander einen Winkelabstand von jeweils 45°. Auf die Außenfläche des Grundkörpers 1 sind,
koaxial zu den Durchtrittsöffnungen 5,
acht Ausströmrohre 6 aufgesetzt,
die sternförmig
radial nach außen
ragen. Auch die Ausströmrohre 6 sind
an ihren radial außenliegenden
Enden jeweils durch einen Deckel 7 verschlossen, in dem
sich eine verhältnismäßig großflächige Nauptausströmöffnung 8 befindet.
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Das in 3 rechte,
offene Ende des Grundkörpers 1a der
Brenndüse 1 ist
mit einer Zuführleitung
für Brenngas
verbunden, in der sich vorzugsweise eine die Strömungsgeschwindigkeit erhöhende Venturidüse befindet,
wie dies an und für
sich bekannt ist.
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Die auf dem innenliegenden Endbereich
des Brennergehäuses
12 angebrachte
Verwirbelungseinrichtung 13 umfasst, wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, einen
ersten Satz von speichenartig auf der Außenmantelfläche des Brennergehäuses 12 angebrachten,
sich radial ersteckenden Schaufeln 18, die mit ihren radial
außenliegenden
Enden an einem Zwischenring 19 befestigt sind. Zwischen
dem Zwischenring 19 und einem hierzu konzentrischen Außenring 20 erstreckt
sich ein weiterer Satz radial verlaufender Schaufeln 21,
deren Enden an dem Zwischenring 19 bzw. dem Außenring 20 festgelegt
sind.
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Die Schaufeln 18 sind, wie
insbesondere der 5 zu
entnehmen ist, ins sich tordiert. Sie sind so zwischen dem Brennergehäuse 12 und
dem Zwischenring 19 bzw. zwischen dem Zwischenring 19 und
dem Außenring 20 angeordnet,
daß einer
ihrer längs
verlaufenden Ränder
(in 5 der Rand 22) zur
achsparallelen Richtung einen Winkel von etwa 30° einschließt, während der andere Rand (in 5 der Rand 22)
mit der achsparallelen Richtung einen Winkel von etwa 45°einschließt.
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Der oben beschriebene Brenner arbeitet
wie folgt:
Das Brenngas wird der Brenndüse 1 in 3 von rechts her mit einem
bestimmten Druck zugeführt.
Es strömt
dann hauptsächlich über die
verhältnismäßig großflächigen Durchtrittsöffnungen 5 im
Mantel des Grundkörpers 1a und über die
Ausströmrohre 6 zu den
Hauptausströmöffnungen 8.
Dort vermischt es sich mit der zu behandelnden, schadstoffhaltigen
Abluft, die in geeigneter Weise zugeführt wird, um eine Flamme zu
bilden. Der Druck des zuströmenden Brenngases,
der Radius, auf dem sich die Hauptausströmöffnungen 8 befinden,
sowie deren Größe sind so
aufeinander abgestimmt, daß sich
an den verschiedenen Hauptausströmöffnungen 8 jeweils
einzelne Flammen bilden, diese Flammen also nicht miteinander überlappen.
Jede dieser einzelnen Flammen bleibt auf diese Weise verhältnismäßig kühl. Durch
die keilförmigen
Zwischenräume
zwischen den Ausströmrohren 6 kann
die schadstoffhaltige Abluft günstig
herangeführt
werden.
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Die Durchtrittsöffnungen 3 im Deckel 2 und die
diesen benachbarten Durchtrittsöffnungen 4 im Mantel
des Grundkörpers 1a erzeugen
eine Zentralflamme, über
welche jedoch verhältnismäßig wenig Brenngas
ausströmt.
Dies läßt sich
durch eine entsprechende Wahl der Querschnitte der Durchtrittsöffnungen 3, 4 im
Verhältnis
zum Querschnitt der Hauptausströmöffnungen 8 bestimmen.
Die Zentralflamme dient im wesentlichen nur der Flammenüberwachung;
sie wird hierzu von einem Flammensensor, beispielsweise einer UV-Diode,
"beobachtet".
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Wie 4 zeigt,
ist eines der Ausströmrohre 6 ebenfalls
mit einer kleinen Durchtrittsöffnung 9 versehen.
Das hier ausströmende
Brenngas wird bei Betriebsbeginn einer Zündvorrichtung zugeführt; die
so entstehende Flamme dient als Zündflamm für die radial gerichteten, aus
den Ausströmrohren 6 austretenden
Einzelflammen sowie die Zentralflamme.
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Die Verwirbelungseinrichtung 13 versetzt
die den Grundkörper 1a der
Brenndüse 1 umströmende, schadstoffhaltige
Abluft in eine Wirbelströmung.
Die durch diese Wirbelströmung
erzeugte Zentrifugalkraft sorgt dafür, daß die Flammen, die sich in
der Nähe
der Hauptausströmöffnungen 8 der
Ausströmrohre 6 bilden,
noch weiter radial nach außen
rücken und
auf diese Weise einen noch größeren Abstand voneinander
besitzen. Insgesamt brennt jede Einzelflamme der Brenndüse 1 bei
gleicher Gesamtleistung mit erheblich niedrigerer Temperatur als
der einheitliche Feuerball der bekannten Brenndüsen, in dem die aus den Durchtrittsöffnungen
der Mantelfläche
des Grundkörpers
ausströmenden
Abgase verbrannten. Die Verbrennungsgase enthalten daher sehr viel
weniger Stickstoffoxide als in bekannten thermischen Nachverbrennungsvorrichtungen.