DE1945874C3

DE1945874C3 - Überwachungseinrichtung an einem Gasbrenner

Info

Publication number: DE1945874C3
Application number: DE19691945874
Authority: DE
Inventors: Ivan Rueil-Malmaison Chonik; Gerard Maisons-Laffitte Samman
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1968-09-12
Filing date: 1969-09-10
Publication date: 1978-10-05
Also published as: FR1596573A; DE1945874A1; GB1286651A; BE738679A; DE1945874B2; CH511401A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Überwachungseinrichtung für Gasbrenner in Form eines Tunnelbrenners, bei dem das in eine Vorkammer-eingeleitete Gemisch aus Brenngas und Luft über einen Durchtrittskanal in eine tunnelartige Brennkammer eintritt.

Bei einem solchen Brenner erfolgt die Verbrennung der Gase in einer Brennkammer, deren Wände aus einem feuerfesten Material bestehen. Während des normalen Betriebs erreichen diese Wände infolge der Verbrennung der Gase eine sehr hohe Temperatur, die z. B. in der Größenordnung von 1850⁰C liegt; wenn der Brenner im kalten Zustand in Betrieb gesetzt wird, erreichen die Wände innerhalb von etwa 30 see nach der Inbetriebsetzung des Brenners eine Temperatur in der Größenordnung von IQQQ⁰C, Bei diesen Temperaturen senden die Brennkammerwände in einem erheblichen Ausmaß sowohl sichtbare als auch infrarote Strahlung aus, wobei die maximale Strahlungsintensität bei einer Temperatur von 1800⁰C bei einer Wellenlänge von etwa 1,5 μηι liegt.

Ein einwandfreier Betrieb eines solchen Brenners kann nur erzielt werden, wenn dafür gesorgt wird, daß bestimmte Steuer- bzw, Regelvorgänge durchgeführt werden, die einerseits das verbrennbare Gas-Luft-Gemisch und andererseits die Gesamtmenge des ausströmenden gasförmigen Gemisches beeinflussen. Wenn "> einer dieser Vorgänge nicht in der richtigen Weise durchgeführt wird, findet entweder überhaupt keine Verbrennung statt, oder die Verbrennung kann sich nach außerhalb der Brennkammer verlagern. Im ersteren Fall besteht wegen des Vorhandenseins eines

ίο noch nicht verbrannten gasförmigen Gemisches in der Brennkammer die Gefahr einer Explosion und im letzteren Fall die, daß die Flamme wegen der Unstabilität der Verbrennung erlischt. In beiden Fällen nehmen die Wände der Brennkammer eine erheblich niedrigere Temperatur an, da sie nicht oder nicht mehr durch die direkte Strahlung der Flamme erhitzt werden, sondern kalt bleiben oder schnell abgekühlt werden, weil sie in Berührung mit den kalten Gasen stehen. Wenn die Ramme erlischt, nachdem sich der Brenner während einer bestimmten Zeitspanne in einem normalen Betriebszustand befunden hat, können die Wände sogar schnell dadurch abgekühlt werden, daß sie ihre gespeicherte Wärmeenergie durch Abstrahlung oder Ableitung an das Gas-Luft-Gemisch abgeben.

Bei ölbrennergeräten ist es bekannt (DE-GM 18 97 500), zur Flammenüberwachung in der Brennkammer des Kessels einen Photowiderstand ζ j verwenden, der bei dunkler Brennkammer und bei Befehlsgabe über eine Hilfsschaltung die Zündvorrichtung einschaltet, worauf ein Motor in Betrieb gesetzt wird, der über ein Gebläse Luft und über eine Pumpe Heizöl ansaugt, die durch Wirbelung in innige Vermischung gebracht werden. Sobald das Öl-Luft-Gemisch ordnungsgemäß gezündet ist, wird über den Photowiderstand die Zündvorrichtung abgeschaltet. Ebenso dient der Photowiderstand zur Flammenüberwachung während des Betriebs, so daß bei ungewolltem Erlöschen der Flamme ein neuer Zündvorgang selbsttätig eingeleitet wird. Der Photowiderstand kann entweder im Brennerraum selbst in einer geschützten Stelle eingebaut Horden, was sich jedoch als nachteilig erwiesen hat, oder innerhalb des Schaltgerätegehäuses des in einer Gehäusewand des unmittelbar am ölbrennergehäuse befestigten Schaltgeräts hinter einem mit einer Sammellinse versehenen

♦5 Lichtfenster, das fluchtend mit einer entsprechenden Öffnung im ölbrennergehäuse angeordnet ist und sich im Strahlengang der Brennerflamme befindet. Der Photowiderstand ist vorzugsweise in einem solchen Abstand von dem Lichtfenster angeordnet, daß sich der Brennpunkt der Sammellinse hinter der lichtempfindlichen Schicht des PhotowiderstanJs befindet. Mit dieser Flammenüberwachungsvorrichtung wird nun die Flamme unmittelbar beobachtet.

Es ist ferner eine Brenneranordnung mit einer

Flammenüberwachungseinrichtung bekannt (US-PS 28 40 146), bei der mit Hilfe von zwei photoelektrischen Strahlungsempfängern nicht nur die eigentliche Flamme, sondern zusätzlich hierzu die Strahlung der Brennerkammerwand mit zur Flammenüberwachung

M) herangezogen wird. Bei wandernder Flamme ist nicht ausgeschlossen, daß deren Strahlung auch auf den die Brennkammerwand beobachtenden Strahlungsempfänger gelangt. Der Bauaufwand ist nicht unbeträchtlich, und es ist nur eine photoelektrische Flammenüberwa-

>>> chungmöglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überwachungseinrichtung an einem Gasbrenner anzugeben, bei welchen· anhand der Strahlung der

Brennkammerwand die Verbrennung selbst, d.h. die richtige Lage der Ramme und die richtige Zusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemisches, an einem Tunnelbrenner Oberwacht werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei der eingangs genannten Überwachungseinrichtung vorgesehen, daß die Vorkammer an dem dem Durchtrittskanal gegenüberliegenden Ende von einem Verschlußkörper abgeschlossen ist, der eine zur Längsachse des Brenners koaxiale strahlungsundurchlässige Zone und außerhalb dieser Zone eine strahlungsdurchlässige Zone aufweist, durch weiche durch den Durchtrittskanal hindurchtretende, nur von der Brennkammerwand ausgehende Strahlung austritt, und daß sich an die strahlungsundurchlässige Zone eine Vorrichtung zur Feststellung der Intensität der von der Brennkammerwand ausgehenden Strahlung anschließt Auf diese Weise wird sichergestellt, daß lediglich die von der Brennkammerwand ausgehende Strahlung ermittelt und daraus Rückschlüsse auf die Verbrennung gezogen werden können.

Bei einer zweckmäßigen Ausbildungsform dieser Überwachungsvorrichtung, die auch eine unmittelbare Beobachtung ermöglicht, also ohne elektrische rtilfsmittel, ist vorgesehen, daß der Verschlußkörper aus einem durchsichtigen Werkstoff besteht und einen zur Längsachse des Brenners koaxialen kegelstumpfförmigen ersten Teil, dessen Mantelfläche poliert und dessen Kegelwinkel so klein ist, daß die einfallende Strahlung totalreflektiert wird, und einen sich an diesen anschließenden zweiten Teil mit einer nicht polierten rauhen Oberfläche aufweist. Der zweite Teil weist vorzugsweise eine zur Längsachse des Brenners koaxiale zylindrische Oberfläche und eine halbkugelförmige Abschlußoberfläche auf. Von dieser nicht polierten Oberfläche wird die an der Mantelfläche totalreflektierte Strahlung diffus abgestrahlL Es ist daher eine visuelle Beobachtung aus allen Richtungen, insbesondere aus seitlicher Richtung und, wegen der zylindrischen Ausbildung, von dort bevorzugt möglich, so daß eine Bedienungsperson nicht hinter den Brenner zu treten braucht, um zu prüfen, ob eine ausreichende Strahlungsintensität der Brennkammerwände und damit eine ordnungsgemäße Verbrennung vorliegt.

Es kann aber auch eine elektronische Feststellung der Strahlungsintensität erfolgen. Hierzu sieht eine andere Ausgestaltung der Erfindung vor, daß in einer Bohrung des Verschlußkörpers ein photoelektrischer Strahlungsempfänger (Detektor) angeordnet ist, der ein der Strahlungsintensität entsprechendes elektrisches Signal erzeugt.

Die rauhe Oberfläche oder der Strahlungsempfänger sind so angeordnet und ausgebildet, daß nur diejenigen Strahlen, die von der Brennerkammerwand ausgehen, beobachtet bzw. empfangen werden. Strahlen aus der unmittelbaren Umgebung der Flammenachse werden nicht erfaßt Der Verschlußkörper besteht vorzugsweise aus einem einzigen Stück eines durchsichtigen Materials, z. B. aus Glas, oder einem beliebigen anderen durchsichtigen Kunststoff, z. B. Acryl-Glas. Für die visuelle Beobachtung ist der zweite Teil des Verschluß-Stopfens derart angeordnet und ausgebildet, daß er von den Strahlen unter einem Einfallswinkel von weniger als 42", dem Grenzwinkel für Totalreflektion, getroffen werden kann, so daß die Strahlen von der nicht polierten Oberfläche abgestrahlt werden. Der Verschlußstopfen ir> braucht bei der zweiten Ausführungsform der Überwachungseinrichtung nicht aus einem durchlässigen Werkstoff zu bestehen, sondern kann z. B. aus Metall gefertigt werden, Die Bohrung des Verschlußkörpers ist so angeordnet, daß der in ihr befindliche Strahlungsempfänger wiederum nur der Strahlung von der Brennkammerwand ausgesetzt ist. Bei dieser Ausführungsform betätigt der photoelektrische Strahlungsempfänger eine elektronische Einrichtung zum Erzeugen eines Warnsignals, und gegebenenfalls betätigt er eine Ventilsteuerung oder er bewirkt die Durchführung einer beliebigen anderen Sicherheitsmaßnahme, wenn die beobachtete Strahlungsintensität bis unterhalb eines vorbestimmten Pegels zurückgeht Weiterhin umfaßt die elektronische Einrichtung zweckmäßig ein zeitabhängig arbeitendes Element bzw. einen Zeitgeber, mittels dessen die Vorrichtung und die Sicherheitseinrichtungen während der Zeitspanne außer Betrieb bleiben, die benötigt wird, um den Brenner zu zünden und die Brennkammer auf die Betriebstemperatur zu bringen.

Zwei Ausführungsformen der Erfindung sind anhand einer Zeichnung näher erläutert, in der darstellen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch ei:.;: erste Ausfühi'ungsform des Verschlußkörpers,

F i g. 2 einen Axialschnitt durch einen Tunnelbrenner mit eingebautem Verschlußkörper nach F i g. 1,

F i g. 3 einen Axialschnitt durch eine zweite Ausführungsforra des Verschlußkörpers und

Fig.4 einen Axialschnitt durch einen Tunnelbrenner mit einem Verschlußkörper gemäß F i g. 3.

In F i g. 1 erkennt man in einem Axialschniu eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäCen Verschlußkörpers 10 für einen Kammerbrenner, z. B. einen sogenannten Tunnelbrenner, der so ausgebildet ist, daß er eine optische Beobachtung bzw. Überwachung der Verbrennung von Gasen ermöglicht. Der Verschlußkörper 10 besteht aus einem durchsichtigen Werkstoff, z. B. Acryl-Glas, der symmetrisch zur Längsachse 1 ausgebildet ist; der Stopfen umfaßt eine im rechten Winkel zur Längsachse 2 verlaufende Stirnfläche 2, einen mit Außengewinde versehenen zylindrischen Abschnitt 3, einen kegelstumpfförmigen ersten Teil 4 und einen sich daran anschließenden zweiten Teil 5 aus einem zur Längsachse 1 koaxialen zylindrischen Abschnitt 6 und einer halbkugelförmigen Abschlußoberfläche 6'. Die Stirnfläche 2 und die Mantelfläche des kegelstumpfförmigen ersten Teils 4 sind poliert. Der zylindrische Abschnitt 6 und die halbkugelförmige Abschlußfläche 6' haben eine nicht polierte rauhe Oberfläche. Der Kegelwinkel der Mantelfläche des kegelstumpfförmigen ersten Teils ist so klein, daß die durch die Stirnfläche 2 einfallende Strahlung totalreflektiert wird. Die Stirnfläche 2 hat an ihrem der Längsachse 2 benachbarten Teil eine kreisrunde strahlungsundurchsichtige Zone 7, da an dieser Stelle in die Stirnfläche 2 des Vp'achlußkörpers 10 eine dünne Metallschicht T in Form einer Scheibe bzw. eines Rings eingelassen ist. An die strahlungsunduiX'iilässige Zone 7 schließt 'ich nach außen eine strahlungsdurchlässige Zone 8 an. Außerdem erstreckt sich längs der Längsachse 1 durch einen Teil des Verschlußkörpers sowie die Metallschicht 7' eine Axialbohrung 9 zum Aufnehmen eines mit dem Brenner zusammenwirkenden, sich längs der Längsachse I erstreckenden strahlungsundurchlässigen Bauteils.

Fig. 2 zeigt in einem Axialschnitt einen der anhand von Fig. I beschriebenen Anordnung ähnelnden Verschlußkörper 10 für einen Kammerbrenner in Tunnelbauart. Der Verschlubkörper 10 ist mit seinem mit Außengewinde versehenen zylindrischen Abschnitt 3 in einem Tunnelbrenner eingeschraubt, bei dem das in eine

Vorkammer 20 seillich durch einen RohrauslaB 30 eingeleitete Gemisch aus Brenngas und L.uft über einen Durchtrittskanal 21 in eine tunnelartige Brennkammer !3 eintritt. Vorkammer 20. Durchtrittskanal 21 und Brennkammer 13 sind koaxial angeordnet. Die Vorkammer 20 und der Durchtrittskanal 21 sind in einem ersten Bauteil Il und die Brennkammer 13 in einem zweiten Bauteil 12 ausgebildet. Die von einer Brennkammerwand 14 ausgehende Strahlung 15 gelangt durch die strahlungsundurchlässige Zone 8 der Stirnfläche nach Totalreflektion an der Mantelfläche des ersten Teils 4 zum zweiten Teil 5 des Verschlußkörpers 10 und wird dort diffus abgestrahlt. Die nicht von der Brennkammerwand 14 ausgehenden Lichtstrahlen aus der Brennkammer 13 können den nicht polierten Teil 5 nicht beleuchten, da sie entweder durch die Metallschicht T oder einen in die Bohrung 9 eingeführten, sich in axialer Richtung erstreckenden Stab 16 oder den Durchtrittskanal bzw. die Wand des Bauteils 11 des Tunnelbrenners zurückgehalten werden.

Gemäß Fig. I beträgt der Scheitelwinkel der Mantelfläche des kegelstumpfförmigen ersten Teils 4 30°. Dieser Winkel ist kleiner als der kritische Winkel für Totalreflektion an der Grenzfläche zwischen Acryl-Glas und Luft, der 42" beträgt. Die äußere Grenze der beobachtbaren Lichtstrahlung 15 ist in Fig. 1 eingezeichnet; die Lichtstrahlen sind so gerichtet, daß sie an der Mantelfläche des kegelstumpfförmigen Teils 4 vollständig zurückgeworfen und fortschreitend auf die Oberflächen 6 und 6' fokussiert werden, deren nicht polierte Außenflächen hierbei infolge von Lichtstreuung leuchten bzw. abstrahlen. Die Oberflächen 6 und 6' sind so geformt, daß ihre Helligkeit von jeder beliebigen Richtung aus beobachtet werden kann. d. h.. daß eine allseitige Beobachtung bzw. Überwachung möglich ist.

Während des normalen Betriebs des Brenners sieht ein Beobachter, daß die Oberflächen 6 und 6' des rückwärtigen Endes des Verschlußstopfes von innen her hell beleuchtet sind. Wenn die Verbrennung in der Brennkammer nicht mehr normal abläuft, und zwar entweder infolge einer völligen Unterbrechung der Verbrennung oder da die Verbrennung außerhalb der Brennkammer stattfindet, kühlen sich die Wände der Brennkammer ab. so daß sich die von diesen Wänden ausgesandte Strahlung bzw. die Strahlungsintensität schnell verringert und die Oberflächen 6 und 6' des Verschlußkörpers 10 innerhalb von etwa 10 see ihre starke Leuchtkraft verlieren, wodurch dem Beobachter angezeigt wird, daß die Verbrennung unterbrochen worden ist

Fig. 3 zeigt im Längsschnitt eine zweite Ausführungsform eines zu seiner Längsachse 1 weitgehend symmetrischen Verschlußkörpers für einen Kammerbrenner, der eine photoelektrische Überwachung der Verbrennung von Gasen ermöglicht. Dieser insgesamt mit 19 bezeichnete Verschlußkörper besteht aus Metall, ζ. B. Messing. Der Verschlußkörper 19 hat eine im rechten Winkel zur Längsachse 1 verlaufende Stirnfläche 2, einen mit Außengewinde versehenen zylindrischen Abschnitt 3, einen zylindrischen Flansch 4' und eine sich längs der Längsachse 1 erstreckende Sackbohrung 9 zum Aufnehmen eines nicht dargestellten, mit dem Brenner zusammenwirkenden, sich in axialer Richtung erstreckenden strahlungsundurchlässigen Bauteils.

An der Stirnfläche 2 mündet mit einer Öffnung 22 eine sich parallel zur Längsachse 1 durch den Verschlußkörper 19 erstreckende Bohrung 23. deren Durchmesser erheblich kleiner als der Radius des Gewindeabschnitts 3 ist und z. ß. etwa ein Drittel dieses Radius ausmacht. In der Bohrung 23 ist ein photoelektrischer Strahlungsempfänger 17 (Detektor) zusammen mit den zugehörigen Halte- und Anschlußvorrichtungen angeordnet. Der lichtempfindliche Teil 18 des Strahlungsempfängers ist eine CdS-ZeIIe. deren äußere Stirnfläche mit der Stirnfläche 2 des Verschlußkörpers fluchtet, und die sich

■■ i durch die öffnung 23 bis zu der Stirnfläche 2 erstreckt.

Fig. 4 zeigt in axialem Schnitt den Verschlußkörper 19 eingebaut in einen dem in Fig. 2 dargestellten gleichenden Tunnelbrenner. Fr ist mit seinem Gewindeabschnitt 3 in den Tunnelbrenner eingeschraubt. Die

.jo von der Brennkammerwand 14 ausgehende Strahlung gelangt auf den empfindlichen Teil 18 des photoelektrischen Strahlungsempfängers 17.

Die Anordnung und die Abmessungen der öffnung 23. wo der empfindliche Teil 18 des photoelektrischen

2j Strahlungsempfängers 17 der Strahlung ausgesetzt ist sind so gewählt, daß nicht von der Wand 14 der Brennkammer 13 ausgehende Lichtstrahlen nicht aul den empfindlichen Teil 18 treffen können; nur die vor der Wand 14 ausgehenden Strahlen können in die

jo Öffnung 2Ϊ eintreten, ohne durch den in die Bohrung S eingreifenden, sich in axialer Richtung erstreckender Stab 16 oder den Durchtrittskanal 21 bzw. die Wand de; Bauteils 11 des Tunnelbrcnners zurückgehalten zi werden.

Der photoelektrische Strahlungsempfänger 17 ist ar eine nicht dargestellte elektronische Vorrichtung bekannter Art angeschlossen, mittels deren dei Widerstand der CdS-ZeIIe gemessen und damit die Strahlungsintensität festgestellt wird und die ir Abhängigkeit von dem jeweiligen Meßergebnis eine Warnvorrichtung sowie eine Vorrichtung zum Schlie Ben der Gaseinlaßventile betätigt. Während de< normalen Betriebs des Tunnelbrenners hat die photo leitfähige Zelle einen Widerstand von etwa 0,1 Meg· ohm; wenn in der Brennkammer keine Verbrennung mehr stattfindet, und zwar deshalb, weil entweder die Flamme erloschen ist oder weil sich die Verbrennung aus der Brennkammer heraus verlagert hat, kühlen sich die Wände der Brennkammer ab, die von dieser Wänden ausgesandte Strahlung verringert sich se' nell und innerhalb von etwa 5 see erhöht sich dei Widerstand der photoleitfähigen Zelle um mehrere Megohm; sobald dieser Punkt erreicht wird, betätigt die elektronische Vorrichtung die Warnvorrichtung, und sie bewirkt die Durchführung geeigneter Maßnahmen. Wie schon erwähnt, ist ein Zeitgeber oddgL vorgesehen durch den die elektronische Vorrichtung daran gehindert wird, auf das Warnsignal anzusprechen und der die Betätigung der Ventile während der Zeitspanne

Mi verhindert, die benötigt wird, um den Tunnelbrenner zu zünden und die Temperatur der Wände der Brennkammer zu erhöhen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Überwachungseinrichtung an einem Gasbrenner, bei dem das in eine Vorkammer eingeleitete Gemisch aus Brenngas und Luft über einen Durchtrittskanal in eine tunnelartige Brennkammer eintritt, wobei Vorkammer, Durchtrittskanal und Brennkammer koaxial zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (20) an dem dem Durchtrittskanal (21) gegenüberliegenden Ende von einem Verschlußkörper (10, 19) abgeschlossen ist, der eine zur Längsachse (1) des Brenners koaxiale strahlungsundurchlässige Zone (7) und außerhalb dieser Zone eine strahlungsdurchlässige Zone (8) aufweist, durch weiche durch den Durch trittskanal (21) hindurchtretende, nur von der Brennkammerwand (14) ausgehende Strahlung austritt, und daß sich an die strahlungsundurchlässige Zone (8) eine Vorrichtung zur Feststellung der Intensität der von der Brennkammerwand ausgehenden Strahlung anschließt

2. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschlußkörper (10) aus einem durchsichtigen Werkstoff besteht und einen zur Längsachse des Brenners koaxialen kegelstumpfförmigen ersten Teil (4), dessen Mantelfläche poliert und dessen Kegelwinkel so klein ist, daß die einfallende Strahlung totalreflektiert wird, und einen sich an diesen anschließenden zweiten Teil mit einer nicht polierten rauhen Oberfläche aufweist.

3. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil (5) eine zur Längsachse (1) des Brenners koaxiale zylindrische Oberfläche (6) und eine iialbkugelförmige Abschjußoberfläche (6') aufweist.

4. Überwachungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Feststellung der Strahlungsintensität ein in einer Bohrung (23) des Verschlußkörpers (19) angeordneter photoelektrischer Strahlungsempfänger (17) ist.