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Brennerkopf Gegenstand der Erfindung ist ein in eine Brennkammer einsetzbarer
Brennerkopf mit zentral in einer Luft- bzw. Sauerstoffleitung angeordneter Brennstoffleitung,
wobei die Luft- bzw. Sauerstoffleitung wenigstens im Bereiche des Brennermundes
von einem doppelwandigen Kühlmantel umgeben ist.
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Aus der USA.-Patentschrift 1707772 ist ein Brennerkopf bekannt,
dessen Mundstück doppelwandig ausgeführt ist und mit Wasser gekühlt werden kann.
Hierbei ist jedoch dieses Mundstück nicht wie bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
konisch und in dem zylindrischen doppelwandigen Kühlmantel mit Kühlkanälen versehen,
die eine unterschiedliche Kühlung der Wand gestatten.
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In »Stahl und Eisen«, 1937, Nr. 52, Seite 1452, ist eine ältere und
eine neuere Ausführungsform von Mischdüsen zum Karburieren mit Hilfe von schweren
Heizölen, Teeren oder Pechen beschrieben. Bei der älteren Ausführungsform wird das
Mischrohr zur Verteilung des für die Karburierung angewandten Öls mit Preßluft mit
Hilfe eines Kühlmantels gekühlt. Es kommt dabei oft zu einer so weitgehenden Abkühlung
des Karburiermittels, daß sich dieses aus der meist vorgewärmten Preßluft abscheidet
und zur Verstopfung der Düse führt. Bei der neueren Ausführungsform sind die Schwierigkeiten
vermieden, indem sich zwischen Kühlmantel und Mischrohr eine Asbestisolierung befindet.
Diese Maßnahme führt jedoch auch zu vielen Schwierigkeiten und Unzulänglichkeiten.
Bei wiederholter Inbetriebnahme und Abschaltung eines derartigen Zerstäubers für
Karburieröl kommt es zu einem Schrumpfen oder Schwinden des festen Isoliermaterials
unter Bildung von Luftspalten, die ihrerseits wieder den Wärmeübergang aus dem Mischrohr
in das Kühlmedium so weit verschlechtern, daß es zu einem überhitzen des Mischrohrs
kommen kann. Auch durch die beträchtliche Wärmekapazität von Asbest weist eine solche
Ausführungsform Nachteile beim Inbetriebsetzen und nach dem Abschalten auf.
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Bei dem erfindungsgemäßen Brennerkopf ist kein Mischkanal für Brennstoff
und Luft vorhanden, die Gemischbildung erfolgt erst vor dem Brennermund in der Brennkammer
selbst.
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In der französischen Zusatzpatentschrift 41004 zur Patentschrift 709
840 wird ein Brennerkopf beschrieben, bei welchem die Brennstoffdüse gekühlt wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zu schaffen,
die hinsichtlich der Aufnahme von Wärmespannungen, der Regelbarkeit und des Anpassungsvermögens
an die jeweiligen Betriebsbedingungen viel elastischer ist als die bisher bekannten
Düsen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das konisch ausgebildete
doppelwandige Mundstück der Luft- bzw. Sauerstoffleitung zwei in Strömungsrichtung
hintereinanderliegende Kühlkanäle aufweist, die durch eine nur an einer Seite befestigte,
an der anderen Seite einen Schlitz frei lassende radiale Wand mit zwei axialen,
den ersten Kanal abschließenden Trennstegen getrennt sind und sich zwischen den
beiden Trennstegen eine dicht abschließende axiale Trennwand über die ganze Länge
des Mundstücks erstreckt zur Unterteilung der Zufuhr und Ableitung für das Kühlmedium.
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Der erfindungsgemäße Brennerkopf weist ein Kühlsystem für das Mundstück
im Bereiche des Lufteintritts auf, welches in zwei Kanäle unterteilt ist, die in
Strömungsrichtung hintereinanderliegen und eine stufenweise Kühlung ermöglichen.
Der erste Kühlkanal hat im allgemeinen keine so hohe Kühlwirkung wie der zweite
Kühlkanal, so daß es zu keiner übermäßigen Abkühlung des durch dieses Mundstück
strömenden Mediums kommt. Der erfindungsgemäße Brennerkopf ist daher sehr flexibel
und anpassungsfähig und weist insbesondere bei kurzfristigen Betriebszeiten, also
bei häufigem Ein-und Ausschalten, Vorteile auf.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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F i g.1 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Brennerkopf
in einer Brennkammer; F i g. 2 zeigt teilweise im Schnitt das erfindungsgemäße Kühlsystem
des Brennerkopfes.
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Die Rotationskammer 1 der F i g. 1 steht mit der Brennkammer 2 über
einen Mund 3 in Verbindung, deren Durchmesser kleiner ist als der der beiden
Kammern.
In die Rotationskammer tritt tangential über die Öffnung 4 Luft bzw. Sauerstoff,
gegebenenfalls im Gemisch mit Dampf, ein. Es sind zweckmäßigerweise Leitschaufeln
od. dgl. vorgesehen, um dem einströmenden Gas einen Drall zu versetzen. Die Brennstoffzufuhr
geschieht über den Zerstäuber 6, der sich zentral durch die Kammer l erstreckt.
In der hier gezeigten Ausführungsform wird über die Rotationskammer Luft bzw. Sauerstoff
und über den Zerstäuber 6 Brennstoff eingeführt.
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F i g. 2 zeigt nun das Mundstück 9 mit den Kühlkanälen 16, 17,
die durch die radiale Trennwand 11 voneinander getrennt sind. Durch den Flansch
des Mundstücks 9 tritt bei 12 das Kühlmedium ein und bei 13 aus und durchströmt
den Kanal 16. Eintritt und Austritt des Kühlmediums werden durch die Trennwand
14 voneinander getrennt, welche sich über die ganze Achslänge des Kühlsystems erstreckt.
Die axialen Trennstege 15 begrenzen den Kühlkanal 17 gegen den Eintritt bzw. Austritt
des Kühlmediums in den Kühlkanal 16. Die Breite der Trennwand 11 ist etwas geringer
als der Abstand der beiden Mäntel für das Kühlsystem. Es verbleibt also zwischen
Trennwand 11 und einer der Mäntel des Kühlsystems ein Schlitz, durch welchen Kühlmedium
in den Kühlkanal 17 aus dem Kühlkanal 16 übertreten kann. Auf diese Weise ist der
Kühlmittelumlauf im Bereiche des Brennermundes wesentlich stärker als an dem weiter
hinteren Teil des Mundstücks. Es ist nicht zwingend erforderlich, daß die Trennstege
15 dicht schließen, vorausgesetzt, daß der Kühhnittelumlauf durch diese Undichtigkeiten
nicht beeinflußt wird.
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Bei Inbetriebnahme des erfindungsgemäßen Brennerkopfes sind die Metallteile
kalt. Vor dem Brennermund herrscht jedoch in kürzester Zeit sehr hohe Temperatur,
so daß es im Bereiche des Mundstücks zu sehr großen Wärmespannungen kommen kann.
Durch den guten Kühhnittelumlauf im Bereiche des Kanals 16 setzt jedoch sofort eine
gute Kühlwirkung ein. Innerhalb einer gewissen Zeit stellt sich zwischen dem Kühlmittel
im Kanal 16 und den Wandungen des Mundstücks ein gewisses Gleichgewicht ein,
so daß bei guter Wärmeabfuhr es zu keiner übermäßigen Spannungsbelastung des Brennermundes
kommt. Würde an Stelle des flüssigen oder gasförmigen Kühlmediums in Kanal
16 entsprechend den bekannten Isolierungen in Form von Asbest zwischen Kühlmantel
und Mischrohr ein fester Isolator vorhanden sein, so könnte diese isolierende Wirkung
nicht nur zu einer Rißbildung in dem Isolator führen, sondern auch zu einer übermäßigen
thermischen Beanspruchung gerade während der ersten Zeit des Betriebes bis zum Wirksamwerden
der Wasserkühlung im Bereiche des Brennermundes. - " Bei dem erfindungsgemäßen -Brennerkopf
ist es auch möglich, das Mundstück vorzuwärmen, indem man vor Einschalten des Brenners
an Stelle von Kühlmedium vorgewärmtes . Kühlmedium durch Kanal 16 leitet.
Es wird auf diese Weise eine Beanspruchung des Werkstoffs auf Temperaturschock weitgehend
vermieden. Eine derartige Anpassung an die Betriebszustände wäre mit einem festen-
Isolator zwischen der zu kühlenden Wand und dem Kühlmantel nicht möglich.
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Auch besteht bei der erfindungsgemäßen Kühlung des Mundstücks nicht
die Gefahr, daß es im Falle von Dampfzusatz in die Rotationskammer 1 infolge der
zu kalten Wandtemperatur zu einer Kondensation am Mund kommt, bevor durch die Flammenstrahlung
das Mundstück auf entsprechende Temperatur aufgeheizt ist. Nach Einschalten des
erfindungsgemäßen Brennerkopfes wird dann kaltes Kühlmittel in den Kanal
16 eingeführt. In dem Kanal 17 befindet sich jedoch anfänglich noch
vorgewärmtes Kühlmittel, so daß es hier zu keiner übermäßigen Spannungsbelastung
des Metallwerkstoffes oder zu einer Kondensation von Dampf im Bereiche des Brennermundes
kommen kann. Der Temperaturausgleich innerhalb der Kanäle 16,17 findet infolge des
relativ kleinen Schlitzes an der einen Wand gegen die Trennwand 11 langsam statt.
Der Temperaturausgleich im Kühlmedium beider Kanäle ist meist erst beendet, wenn
sich bereits in Kanal 16 ein Gleichgewicht eingestellt hat. Diese Möglichkeit
ist selbstverständlich bei festem Isoliermittel zwischen zu kühlender Wandung und
Kühlmantel nicht gegeben.
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Es zeigte sich, daß man mit dem erfindungsgemäß gekühlten Brennerkopf
optimale Ergebnisse bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen unter Vermeidung
einer Kondensation im Bereiche des Brennermundes erreicht, wenn das eintretende
Kühlmittel eine Temperatur über dem Taupunkt des Dampfes in der Rotationskammer
besitzt. Bei einem Druck von etwa 22 atm entspricht dies einer Temperatur von etwa
200° C.
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Bei sehr hohen -Brennkammertemperaturen kann es zweckmäßig sein, daß
das Kühlmedium in Kanal 17 verdampft, da bekanntlich die Wärmeleitung in einem Gas
wesentlich geringer ist als in einer Flüssigkeit. Auf diese Weise kann die Wärmeübertragung
von dem Mundstück auf die anderen Teile des Brenners weitgehend verhindert werden.