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Brenneranlage für pulsierende-Verbrennung von gasförmigen Brennstoffen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brenneranlage für pulsierende Verbrennung von
gasförmigen Brennstoffen mit mindestens einer an einer Stirnseite eine Wandung aufweisenden
und an der anderen Stirnseite offenen Brennkammer, in welche eine Leitung zur Zufuhr
eines Brennstoff-Luft-Gemisches einmündet, deren Austrittsöffnung etwa in der Längsachse
der Brennkammer angeordnet ist, und einem an die offene Stirnseite der Brennkammer
anschließenden Schwingrohr und einer in der Brennkammer angeordneten Zündquelle.
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Es ist bereits bekannt, in die Brennkammern von sogenannten Schwingbrenneranlagen
das Brennstoff-Luft-Gemisch zum Zweck der Vorwärmung über einen in die Brennkammer
hineinragenden Trichter zuzuführen (deutsches Patent 907 576). Es ist auch bereits
bekannt, das einströmende Brennstoff-Luft-Gemisch dem Einfluß von Wirbelkörpern
auszusetzen, um eine Turbulenz des Brennstoff-Luft-Gemisches in der Brennkammer
zur Verbesserung der Verbrennung zu erzeugen (z. B. deutsches Patent 960130). Ferner
ist durch die deutsche Patentschrift 975 546 bzw. die schweizerische Patentschrift
270 782 eine Brennstoffzuführung bei insbesondere mit flüssigem Brennstoff betriebenen
Schwingbrennern bekannt, welche den Brennstoff mittels eines Venturirohres in die
Brennkammer einleitet, dessen Austrittsöffnung etwa in der Längsachse der Brennkammer
angeordnet ist. Dabei weist die Brennkammer an der einen Stirnseite eine mit Rückschlagsperren
versehene Wandung auf, während die andere Stirnseite offen und mit einem anschließenden
Schwingrohr versehen ist. Außerdem ist der Brennkammer eine Zündquelle in Form einer
Zündkerze zugeordnet. Diese bekannten Anlagen sind für Brennstoffe entwickelt worden,
deren Zündeigenschaften im wesentlichen gleichbleibend oder relativ zündfreudig
sind, so daß mit den getroffenen baulichen Maßnahmen bei diesen Anlagen eine kontinuierliche
Zündung des zugeführten Brennstoff-Luft-Gemisches aufrechterhalten werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brenneranlage für pulsierende
Verbrennung von gasförmigen Brennstoffen zu schaffen, bei welcher eine turbulente
Verbrennung erzielt und eine kontinuierliche Zündung auch bei der Verbrennung unterschiedlich
zündfreudiger Brennstoffe, z. B. unterschiedlicher Gasarten, mit Sicherheit gewährleistet
ist.
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Das Problem, eine pulsierende turbulente Verbrennung von Brennstoffen
unterschiedlicher Zündfreudigkeit zu gewährleisten, tritt vor allem bei Brenneranlagen
für die pulsierende Verbrennung eines Gas-Luft-Gemisches auf, wie sie als Wärmequelle
für Durchlauf- oder Umlauf-Wassererhitzer in Haushalten für die Bereitung von warmem
Brauchwasser oder für eine Zentralheizungsanlage Verwendung finden. Diese Anlägen
werden teils mit Stadtgas betrieben, welches durch seinen relativ hohen Anteil an
Wasserstoff sehr zündfreudig -ist. Solche Anlagen müssen aber auch in zunehmendem
Maße mit Flüssiggas aus der Flasche oder mit Erdgas unterschiedlicher und teils
ungünstiger Zusammensetzung aus dem Rohrleitungsnetz betrieben werden, also mit
Gasarten, welche gegenüber Stadtgas eine merklich geringere Zündfreudigkeit haben.
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Diese Aufgabe wird an einer Brenneranlage der eingangs angeführten
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Leitung zur Zufuhr von Brennstoff und
Luft innerhalb der Brennkammer etwa die Form eines Löffels hat, welcher mit seiner
die Austrittsöffnung bildenden offenen Seite nach der- geschlossenen Brennkammer-Stirnseite
hin gerichtet ist, an welcher die Zündquelle angeordnet ist.
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Durch diese Ausbildung wird erreicht, daß das einströmende Brennstoff-Luft-Gemisch
in eine sich direkt über der Austrittsöffnung- am Endabschnitt der Leitung zur Zufuhr
von Brennstoff und Luft innerhalb der Brennkammer ausbildende und nach der Austrittsöffnung
hin zurückführende Kreiswirbelbahn mit einer senkrecht zur Brennkammerachse verlaufenden
Wirbelachse geführt wird. Dabei ist zunächst die Rückzirkulation der Gase in dem
sich bildenden Wirbel nach der Austrittsöffnung am Endabschnitt der Zufuhrleitung
hin, also in den Bereich des neu zuströmenden Brennstoff-Luft-Gemisches, ein äußerst
wichtiges Merkmal; da damit noch aktive, die Verbrennung unterstützende Zündkerne
unter das neu zugeführte und aus der Austrittsöffnung am Endabschnitt der Zufuhrleitung
-.austretende Brennstoff-
Luft Gemisch gebracht werden. Die besondere
Ausbildung des Endabschnitts der Zufuhrleitung bewirkt ferner, daß der Wirbel sich
in der Mitte des Brennkammerraumes oberhalb der Austrittsöffnung der Zufuhrleitung
ausbildet. Die Kernzone dieses Wirbels berührt die Brennkammerwandung praktisch
überhaupt nicht, wodurch sich eine die Rückzirkulation und damit die durch die Formgebung
der Austrittsöffnung am Endabschnitt der Zufuhrleitung eingeleitete Wirbelbildung
ohne starken Druckabfall ausbilden kann und dem aus der heißesten Kernzone rückzirkulierenden
Gas praktisch keine Wärme an der Brennkammerwandung entzogen werden kann, so daß
sehr heißes Gas mit hoher Relativgeschwindigkeit nach der Austrittsöffnung der Zufuhrleitung
hin zurückgeführt wird. Während bei den bisher bekannten Brenneranlagen für pulsierende
Verbrennung eine turbulente Strömung des Gases entlang der Brennkammerwandung und
dadurch eine entsprechend starke Abkühlung dieses Gases auftritt, wird eine solche
Abkühlung durch die erfindungsgemäße Ausbildung vermieden und eine einwandfreie
kontinuierliche Zündung auch wenig zündfreudiger Gase erzielt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung
ist vorgesehen, daß die löffelförmige Austrittsöffnung am Endabschnitt der Zufuhrleitung
in der von der offenen Stirnseite der Brennkammer entfernten Hälfte der Brennkammer
angeordnet ist.
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Ferner ist die Anordnung so getroffen, daß die löffelförmige Austrittsöffnung
am Endabschnitt der Zufuhrleitung höchstens die halbe Querschnittsfläche der Brennkammer
an dieser Stelle aufweist. Dadurch wird ein in der Mitte des oberhalb der Austrittsöffnung
befindlichen Brennkammerabschnitts konzentrierter Wirbel erzielt.
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Außerdem kann die Wandung des in die Brennkammer hineinragenden Endabschnitts
der Zufuhrleitung in dem öffnungsseitigen Bereich zwischen der Eintrittsstelle der
Leitung in die Brennkammer und dem nächstliegenden Randabschnitt der Austrittsöffnung
am Endabschnitt zur Austrittsöffnung hin abgeflacht sein, wodurch die Rückführung
von Zündkernen aus dem Wirbel nach der Austrittsöffnung hin begünstigt wird.
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Eine besonders günstige Wirkung ergibt sich außerdem dadurch, daß
die der löffelförmigen Austrittsöffnung am Endabschnitt gegenüberliegende geschlossene
Stirnseite der Brennkammer nach außen gewölbt ist, so daß dadurch die Wirbelbildung
noch unterstützt wird.
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Der Gegenstand der Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel an
Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine schematische Gesamtdarstellung
einer erfindungsgemäß ausgebildeten Brenneranlage für pulsierende Verbrennung, F
i g. 2 einen Längsschnitt durch den oberen Bereich einer der Brennkammern der Anlage
mit der Leitung für die Zufuhr von Brennstoff und Luft, F i g. 3 einen Schnitt entlang
der Linie III-III in F i g. 2.
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F i g. 1 zeigt schematisch eine Brenneranlage für pulsierende Verbrennung
von gasförmigen Brennstoffen, welche als Wärmequelle für einen Durchlauf-Wassererhitzer
für das Bereiten von warmem Brauchwasser und/oder zum Erwärmen von Umlaufwasser
für eine Zentralheizungsanlage dient. Die Brenneranlage besteht in bekannter Weise
aus zwei Brennkammern 10 und 11, an welche einerseits eine Ansaugeinrichtung
für den Brennstoff und die Verbrennungsluft angeschlossen ist und welche andererseits
mit je einem Schwingrohr 12 und 13 verbunden sind, deren Enden zu
einer gemeinsamen Austrittsöffnung 14 vereinigt sind.. Bei der Darstellung in F
i g. 1 sind die die Anlage umgebenden Schalldämpfkammern der übersichtlichkeit halber
weggelassen worden. Das mittels der Brenneranlage zu erwärmende Wasser wird ebenfalls
in bekannter Weise durch eine Rohrleitung 15 hindurchgeleitet, welche von ihrem
Anfang 151 zunächst schraubenförmig an der Außenwand der Brennkammer 10 entlang
nach oben und dann an der Außenwand der zweiten Brennkammer 11 entlang schraubenförmig
nach unten verläuft und anschließend durch Lamellenblöcke 16 und 17 der beiden Brennkammern
10 und 11 bis zur Stelle 152 hindurchgeführt ist.
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Beim Ansaugvorgang strömt über Luftansaugleitungen 18 und
19 aus einem Raum 20 Luft zu den beiden Brennkammern 10 und
11. Die Brennstoffzufuhr zu den beiden Brennkammern erfolgt über eine Brennstoffzuleitung
21, eine Zwischenkammer 22 und zwei Ansaugleitungen 23 und 24. Die Brennstoffansaugleitungen
23 und 24 münden in die Luftansaugleitungen 18 bzw. 19 dicht vor deren
Eintritt in die Brennkammern 10 und 11 an den Stellen 25 und 26, wo eine Vermischung
des Brennstoffes mit der angesaugten Luft erfolgt.
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In F i g. 2 ist der Endabschnitt 28, der mit Endabschnitt 27 der Brennstoff-Luft-Gemisch-Zuleitung
in Brennkammer 10 identisch ist, der in die Brennkammer 11 führenden
Zufuhrleitung im Schnitt und in F i g. 3 in Draufsicht dargestellt. Die Zufuhr des
Brennstoff-Luft-Gemisches erfolgt von der Seite her in die obere Hälfte 111 der
Brennkammer 11. An der Zufuhrstelle ist die Zylinderwandung 112 der Brennkammer
11 mit einem Rohrstutzen 113 versehen, in welchen eine Zufuhrleitung 281
eingeschoben und mittels einer Klemmschelle 29 befestigt ist. In die Zufuhrleitung
281 ist ein Endabschnitt 30 eingesetzt, welcher in die Mitte der oberen Brennkammerhälfte
111 und etwa über drei Viertel des Brennkammerdurchmessers hineinragt. Der Endabschnitt
30 hat innerhalb der Brennkammer 11 etwa die Form eines Löffels, welcher
mit seiner offenen Seite eine Austrittsöffnung 31 bildet. Die Austrittsöffnung
31 am löffelförmigen Endabschnitt 30 ist 'durch einen seitlichen Rohrausschnitt
gebildet und nach dem oberen gewölbten Brennkammerdecke1114 hin gerichtet, in welchen
eine Zündkerze 32 eingesetzt ist. Die Austrittsöffnung 31 liegt größtenteils in
einer parallel zur Längsachse des Endabschnitts 30' verlaufenden Ebene und erstreckt
sich in Längsrichtung mindestens über die halbe Länge des Durchmessers des oberen
Brennkammerabschnitts 111. Wie aus F i g. 3 ersichtlich ist, ist der Endabschnitt
30 im Bereich der Austrittsöffnung 31 nicht verbreitert, doch ist
er an seinem äußeren Ende 301 schnabelförmig verjüngt. Auch ist der Rand
der Austrittsöffnung 31 am äußeren Ende 301 des Endabschnitts
30 leicht nach oben gezogen. Die Austrittsöffnung 31 beginnt erst
in einigem Abstand des Endabschnitts 30 von der Wandung 112 der Brennkammer
11, und der Endabschnitt 30 ist zwischen der Austrittsöffnung 31 und der
Wandung 112 in dem Bereich 302 leicht zur Austrittsöffnung
31
hin abgeflacht, wie in F i g. 3 angedeutet ist. Eine bevorzugte Anordnung des Endabschnitts
30 ergibt sich, wenn die Entfernung zwischen der Austrittsöffnung 31 am Endabschnitt
30 und dem Brennkammerdecke1114 etwa dem Durchmesser der Brennkammer entspricht.
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Das in den Endabschnitt 30 der Zufuhrleitung 281, einströmende Brennstoff-Luft-Gemisch
wird infolge der löffelförmigen Ausbildung des Endabschnitts 30 durch die Austrittsöffnung
31 hindurch entlang der an seinem äußersten Ende 301 geschwungenen Wandung des Endabschnitts
30 in eine kreisförmige Bahn umgelenkt. Die Ausbildung einer kreisförmigen Umlenkbahn
wird durch die Wölbung des Brennkammerdeckels 114 unterstützt: Nach dem Entzünden
des Brennstoff-Luft-Gemisches an der Zündkerze 32, die nur zu Beginn des Verbrennungsablaufes
kurzzeitig in Betrieb gesetzt werden muß, erfolgt die Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches
über die gesamte Kreisbahn des erzeugten Wirbels. Der Verbrennungsablauf beginnt
dabei bereits am Rand des löffelförmigen Endabschnitts 30. Das Brennstoff-Luft-Gemisch
strömt nach einer stoßfreien Zirkulation von rund 270 Winkelgraden seitlich an dem
Endabschnitt 30 vorbei in den unteren Brennkammerabschnitt in Richtung auf
das Schwingrohr 13 ab, wobei etwa auf jeder Seite des Endabschnitts 30 die halbe
Abgasmenge abströmt. Im Zentrum des kreisförmigen Wirbels bildet sich jedoch in
freier Turbulenz und ohne Wandberührung ein heißer Rotationskern, welcher nach der
Austrittsöffnung 31 am Endabschnitt 30 hin zurückströmt, aus der Austrittsöffnung
31 laufend mit frischen Brennprodukten versorgt wird und laufend noch aktive Zündkerne
nach der Austrittsöffnung 31 hin zurückführt, welche die Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches
unterstützen. Der heiße Wirbelkern bleibt infolge seiner Massenträgheit während
des gesamten Verbrennungsablaufes und während des Verpuffens vorhanden und rotiert
unmittelbar über der Austrittsöffnung 31 am Endabschnitt 30 der Brennstoff-Luft-Gemisch
Zufuhrleitung 281. Durch diesen Wirbelkern werden auch Gase mit geringer Zündfreudigkeit
sicher gezündet und rasch und vollständig zum Verbrennen gebracht.