DE19547962A1 - Strahlungsbrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsbrenner gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.

Strahlungsbrenner zeichnen sich per se durch eine niedrige Schadstoffemission aus. Den­ noch besteht das Erfordernis, die Umweltfreundlichkeit permanent zu verbessern, wobei über einen langen Zeitraum gleichbleibend gute Emissionswerte anzustreben sind. Alters­ erscheinungen, hohe thermische Belastungen, insbesondere der Brennerfläche, und hohe Anfahremissionen sind dabei unbedingt zu vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strahlungsbrenner der eingangs beschrie­ benen Gattung anzugeben, der sich durch einen besonders stabilen und wartungsarmen Aufbau sowie durch in jedem Betriebszustand geringe Schadstoffemission auszeichnet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängi­ gen Patentansprüche 1 und 9 gelöst.

Durch den Füllkörper gemäß Anspruch 1 ergeben sich Vorteile sowohl hinsichtlich der Stabilität und Alterungsbeständigkeit des Brenners als auch hinsichtlich der Schadstoff­ reduktion. Die Gemischführungskanäle, die den Füllkörper durchsetzen, besitzen ein derart geringes Durchströmungsvolumen, daß sich nur eine sehr geringe Menge unverbrannten Brennstoffgemisches im Brennerkopf befinden kann. Nur diese geringe Menge kann unter widrigen Umständen, zum Beispiel bei Abschaltung des Brenners, unverbrannt die Ver­ brennungszone passieren und durch die üblicherweise vorhandene Abgasanlage in die Atmosphäre entweichen.

Auch die Gefahr des Flammenrückschlagens besteht bei dem beanspruchten Brenner­ kopfaufbau quasi nicht mehr, da ein Zurückschlagen der Flammen von der permeablen Haube durch die Kanäle des Füllkörpers und durch den Vormischraum bis zu einer in die­ sen hineinragenden Gasdüse kaum möglich ist.

Vorzugsweise ist der Füllkörper mit den Merkmalen gemäß Anspruch 2 ausgebildet. Auf diese Weise ist eine hohe Formstabilität auch bei sehr starker thermischer Belastung ge­ währleistet. Die Durchtrittsquerschnitte der Kanäle bleiben folglich bei allen Betriebsbedin­ gungen konstant, so daß eine gleichmäßig gute Verbrennungsqualität sichergestellt ist.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 3 ergibt sich der Vorteil einer einfachen Formgebung des Füllkörpers. Andere Brennerbauteile lassen sich besonders vorteilhaft mit dieser Füll­ körperform kombinieren, wie weiter unten ausgeführt.

Des weiteren gestattet diese Füllkörperform eine einfache Kanalführung, bevorzugt radial­ strahlenartig gemäß Anspruch 4. Die konkave Ausbauchung begrenzt zusammen mit einer von der Gasdüse durchsetzten Stauscheibe einen im wesentlichen kugelkalottenförmigen, insbesondere halbkugelförmigen, Vormischraum. Ein derartiger Vormischraum bietet Ge­ währ für eine gleichmäßige Aufteilung des Gemisches auf die einzelnen Kanäle.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Brennerkopfes ist durch die Merkmale des Anspruchs 5 gegeben. Dabei wirkt sich wiederum die spezielle Füllkörperform gemäß Anspruch 3 vor­ teilhaft aus. Die konvexe Stirnflächenwölbung des Füllkörpers wird bei jeweils konstanten Abständen der Drosselhaube, der Verteilhaube und der permeablen Haube von der Füll­ körperoberfläche durch den Stirnflächenteil der drei Hauben wiederholt. Auf diese Weise sind auch die Hauben gegen unkontrollierte thermische Effekte geschützt. Verwerfungen, Verbeulungen oder dergleichen können nicht auftreten, da die Stirnflächenwölbung Expan­ sions- und Kontraktionsprozesse in gleichmäßiger Weise ausgleicht.

Die Hauben sind bevorzugt zweiteilig gemäß Anspruch 6 aufgebaut. Dadurch ergibt sich eine besonders einfache Herstellungstechnologie. Um bei einem solchen zweiteiligen Auf­ bau der Hauben möglichst kurze Schweißnähte zu erhalten, sollte die Haubengeometrie den Merkmalen des Anspruchs 7 entsprechen.

Die Merkmale des Anspruchs 8 tragen zu einem weiteren Abbau der Empfindlichkeit der Hauben gegenüber thermischen Ausdehnungsphänomenen bei. Die Drahtfasern verlaufen bewußt nicht in Umfangsrichtung oder in Längsachsenrichtung der Haube, so daß Durch­ messer- und Längenkontraktionen verringert werden. Um Spannungen noch besser aufzu­ nehmen, kann außerdem das elastische Verhalten der Webart der Drahtfasern verbessert werden, indem statt der üblichen Leinenbindung eine Köperbindung verwendet wird.

Durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 9, die alternativ oder zusätzlich zu den Merkmalen vorangehender Ansprüche realisiert sein können, ergibt sich ein besonders stabiler und wartungsarmer Aufbau des Strahlungsbrenners. Ein Korrodieren des Brenner­ kopfes wird weitgehend vermieden, da durch die hohlkegelstumpfförmige Begrenzung ste­ hendes Kondensat, das die Korrosion im wesentlichen verursacht, nicht auftreten kann. Die Kegelform bewirkt einen Ablauf des Kondensates. Außerdem wird einer thermisch beding­ ten Verformung des Brennerkopfes entgegengewirkt und bei entsprechender Materialwahl und Dimensionierung eine Versteifung erzielt.

Die Tropfkante gemäß Anspruch 10 verhindert, daß Kondensat auf der Begrenzung (37) stehenbleiben kann.

Um das Ablösen und Reißen des Drahtgewebes der permeablen Haube zu verhindern, sind Ausbildungen des Strahlungsbrenners mit den Merkmalen der Ansprüche 11 bis 13 beson­ ders vorteilhaft.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand figürlicher Darstellungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Strahlungsbrenner in Seitenansicht und teilweise im Schnitt,

Fig. 2 einen ähnlichen Strahlungsbrenner wie Fig. 1 in ähnlicher Darstellungsweise,

Fig. 3 den Brennerkopfbereich des Brenners gemäß Fig. 2 in Vergrößerung und

Fig. 4 den Faseraufbau einer permeablen Haube,

Fig. 4a eine Leinenbindung,

Fig. 4b eine Köperbindung und

Fig. 5 bis 7 weitere Strahlungsbrenner.

In den Fig. 1 und 2 dargestellte Strahlungsbrenner bestehen im wesentlichen aus Bauteilen 1 zur Gas- und Luftzuführung, die an einem Türelement 2 befestigt sind und aus einem Brennerkopf 3 mit Kanälen 4 zur Gemischführung und mit einer permeablen Haube 5 zur flammlosen Strahlungsverbrennung. Das Türelement 2 ist lösbar mit dem Gehäuse eines Heizkessels verbindbar. Dazu ist das im wesentlichen kreisscheibenförmige Türelement 2 mit Randflanschen 6 oder mit einem Klapp- beziehungsweise Schwenkmechanismus ver­ bunden. Die außerhalb des Kessels befindlichen Bauteile 1 zur Gas- und Luftzuführung sind gasseitig durch eine Regelarmatur 7 mit in eine Vormischkammer 9 hineinragender Gasdüse 8 und luftseitig durch ein Gebläse 10, dessen Druckseite der Vormischkammer 9 zugewandt ist, gebildet. Das Gebläse 10 wird von einem Motor 11 (Fig. 2) angetrieben. An der kesselabgewandten Seite des Türelementes 2 können weiterhin ein Stellmotor 13 mit Luftverstellschraube 14 sowie ein in die Vormischkammer 9 hineinragender Luftdruck- Meßnippel 15, eine Zündeinrichtung 12 und eine Überwachungseinrichtung (verdeckt) an­ geordnet sein. Die Vormischkammer 9 ist bevorzugt durch ein in einer zentralen Bohrung des Türelementes 2 angeordnetes Mischrohr 16 (Fig. 2) radial begrenzt. Der eigentliche Vormischraum 17, in den das Ausströmende der Gasdüse 8 hineinragt, ist durch eine Stau­ scheibe 18 von einem Luftraum 19, der mit dem Gebläse 10 in Verbindung steht, getrennt.

Dem Kesselinneren zugewandt ist das Türelement 2 mit dem Brennerkopf 3 verbunden. Denkbar wäre auch eine einstückige Ausbildung einer Türelement-/Brennerkopf-Bau­ gruppe. Der Brennerkopf 3 weist einen keramischen Füllkörper 20 auf, den Kanäle 4 zur Führung des Gemisches vom Vormischraum 17 in einen Verteilraum durchsetzen. Vor­ mischraumseitig ist der Füllkörper 20 mit einer halbkugelförmigen Ausnehmung 22 verse­ hen, von welcher die Kanäle 4 radialstrahlenartig ausgehen. Brennraumseitig ist der Füll­ körper 20 zylinderförmig mit leicht konvexer Stirnflächenwölbung ausgebildet. Die Kanäle 4 münden dabei sowohl in der Mantelfläche 23 als auch in der Stirnfläche 24 des Füllkörpers 20. In annähernd konstantem Abstand von der Füllkörperperipherie ist eine Drosselhaube 25 übergestülpt, über die wiederum eine Verteilhaube 26 und als Brennerkopfbegrenzung die permeable Haube 5 übergestülpt sind.

Die Drosselhaube 25 und die Verteilhaube 26 bieten dem durch die Kanäle 4 anströmen­ den Gemisch einen definierten Widerstand, wodurch die Druckverteilung der Gas-Luft-Mi­ schung vergleichsmäßigt wird und Strömungsgeräusche reduziert werden. Um letzteres zu erreichen, ist die Drosselhaube 25 mit Lochungen 27 (Fig. 3) eines bestimmten Öffnungs­ querschnittes versehen. Die Drosselhaube 25 kann auch aus mehreren Einzelhauben 28 und 29 (Fig. 3) bestehen, welche einen bestimmten Abstand voneinander aufweisen und deren Lochungen 27 (Fig. 3) zueinander versetzt sein können. Um Strömungsgeräusche noch weiter herabzusetzen, können die Haubenoberflächen uneben ausgebildet sein.

Die Füllkörpergeometrie, der Durchmesser der Kanäle 4 sowie die Anordnung der Hauben 25, 26 und 5 gewährleisten, daß ein möglichst geringes Volumen vorgemischten und damit brennbaren Gases innerhalb des Brennerkopfes 3 vorhanden ist. Das Rückschlagrisiko von der Verbrennungszone 21 durch den Brennerkopf 3 hindurch und damit die Gefahr eines Düsenbrandes wird damit ebenfalls weitgehend reduziert. Außerdem steht durch die engen und kurzen Strömungswege innerhalb kürzester Zeit in der Verbrennungszone 21 ein zündfähiges Gemisch zur Verfügung. Emissionen von Schadstoffen in der instationären Betriebsphase, das heißt während der Start- und Ausschaltphase des Brenners, werden ebenfalls reduziert.

Vorzugsweise besteht der Füllkörper 20 aus einem Material mit geringem Ausdehnungs­ koeffizienten, insbesondere aus Keramik, um eine Veränderung der freien Strömungsquer­ schnitte bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen und unterschiedlicher thermischer Be­ lastung zu verhindern.

Die leicht konvexe Wölbung der Haubenstirnflächen hat den Vorteil, daß bei thermischer Ausdehnung die Ausdehnungsrichtung vorgegeben ist, so daß ein unkontrolliertes Beulen und Verwerfen der Hauben 25, 26 und 5 unterbleibt.

Wie Fig. 3 veranschaulicht, sind die Drosselhaube 25 und die Verteilhaube 26 zweiteilig ausgeführt, wobei ein Hohlzylinderteil 25a beziehungsweise 26a und ein Stirnflächenteil 25b beziehungsweise 26b miteinander verschweißt sind. Der Hohlzylinderteil 25a bezie­ hungsweise 26a kann dabei aus einem rechteckigen Rohteil gewickelt und entlang einer Längsnaht verschweißt sein. Die so entstandenen Hauben 25 und 26 können an ihren Aufstandsenden nach außen umgebogene flanschartige Krägen 30 und 31 aufweisen, wel­ che in umlaufende Vertiefungen oder Ausformungen 32 und 33 einer mit dem Türelement 2 verbundenen Trägerplatte 34 eingreifen. Die relativ steifen Hauben 25 und 26 lassen sich durch geringfügige Spreizung in den Ausformungen 32 und 33 fixieren. Zusätzlich oder al­ ternativ können auch Schweißnähte vorgesehen sein.

Die Haubengeometrie bei der oben beschriebenen zweiteiligen Ausführung ist bevorzugt dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Haubendurchmesser zur Haubenlänge zwischen 0,7 und 4 liegt. Dadurch ergibt sich eine geringe Länge der Schweißnähte. Das Schweißverfahren läßt sich dabei derart gestalten, daß keine Verwerfungen der zu ver­ schweißenden Teile, insbesondere von Hohlzylinderteil 25a beziehungsweise 26a und Stirnflächenteil 25b beziehungsweise 26b der Hauben 25 und 26, auftreten und daß die Oberfläche sowie der freie Öffnungsquerschnitt für den Gemischstromdurchtritt nicht beein­ trächtigt werden.

Die permeable Haube 5 gemäß Fig. 4, an der die Verbrennung erfolgt, und gegebenenfalls auch die Drosselhaube 25 und/oder die Verteilhaube 26, bestehen vorzugsweise aus Drahtgewebe. Die Drahtfasern 35 der Mantelflächen sind dabei vorzugsweise nicht in Um­ fangsrichtung oder in Richtung der Mantellinien ausgerichtet, sondern schließen mit der Längsachse 36 der Haube 5 beziehungsweise 25 oder 26 einen Winkel von 35° bis 55° ein. Die Fasern 35 erstrecken sich also annähernd diagonal und nicht parallel zu den Mantel­ linien und zum Umfang. Auf diese Weise werden unterschiedliche thermische Ausdehnun­ gen in Richtung der Mantellinien und in Umfangsrichtung ausgeglichen. Um diesen Effekt noch zu verbessern, kann das Gewebe der Drahtfasern 35 anstatt der in Fig. 4a dargestell­ ten Leinenbindung eine Köperbindung gemäß Fig. 4b aufweisen. Dadurch ergibt sich eine höhere Elastizität des Drahtgewebes, wodurch Spannungen besser aufgenommen bezie­ hungsweise ertragen werden.

Das Drahtgittermaterial für die permeable Haube 5 ist bevorzugt eine Chrom-Aluminium- Verbindung. Die erforderliche hohe Temperaturbeständigkeit und eine ausreichende Biegefestigkeit sind damit gewährleistet.

Fig. 5 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Brennerkopfes. Ein Füllkör­ per 20, Fig. 1 bis 3, ist hier nicht vorgesehen. Zur Vereinfachung der Drosselhaube 25 und der Verteilhaube 26 ist deren Stirnseite eben und nicht gewölbt ausgebildet. Die Einbaulage dieses Brenners, der in etwas abgewandelter Form auch in Fig. 6 dargestellt ist, ist gegen­ über der Vertikalen geneigt. Beiden Ausführungsformen gemeinsam ist weiterhin die ober­ seitig hohlkegelstumpfförmige Begrenzung 37 des Brennerkopfes 3. Ein Kondensatablauf wird damit erleichtert, so daß die Korrosionsgefahr verringert wird. Außerdem ergibt sich eine Versteifung des Brennerkopfaufbaus. Fig. 5 zeigt weiterhin am äußeren peripheren Rand der Begrenzung 37 die Anordnung einer Tropfkante 38, durch die das Kondensat zur tiefsten Stelle läuft und dort abtropft, ohne daß die von stehendem Kondensat besteht. Die permeable Haube 5 weist einen Flanschrand 39 auf, der von der Tropfkante 38 übergriffen ist und der von der Verbrennungszone 21 beabstandet angeordnet ist. Durch die Beabstandung ist die thermische Beeinflussung aufgrund der heißen Verbrennungszone 21 im Bereich der Befestigung der permeablen Haube verringert. Verwerfungen, Risse und Ablösungen der permeablen Haube 5 sind auf diese Weise ausgeschlossen.

Den gleichen Zweck erfüllt auch die in der Fig. 6 dargestellte Dehnungssicke 40, die die permeable Haube 5 im randnahen Bereich umgibt. In diesem Fall kann die permeable Haube 5 mit der hohlkegelstumpfförmigen Begrenzung 37 des Brennerkopfes 3 am äuße­ ren Rand verschweißt sein. In Fig. 6 ist außerdem die Anordnung eines Plattenwärmetau­ schers 41 relativ zu einer topfförmigen Brennkammer 42, die die Verbrennungszone 21 umgibt, angedeutet.

Eine weitere Variante zur Vorbeugung gegen Verwerfungen, Risse und Ablösungen der permeablen Haube 5 wie auch einer diese, die Drosselhaube 25 und die Verteilhaube 26 aufnehmenden Ronde 43, veranschaulicht Fig. 7. Hier ist der Rand der permeablen Haube 5 mit einer Klammer 44 umgriffen, welche wiederum in eine Dichtung 45 eingebettet ist. Die Dichtung 45 ist mit thermischem Spiel zwischen einem peripheren Haltering 46 und einer Ausformung 47 des Randes der Ronde 43 gelagert. Die Verbindungsstelle zwischen dem Haltering 46 und der Ausformung 47 ist durch einen Dichtungsring 48 abgedichtet. Es ist ersichtlich, daß sowohl die Ronde 43 samt Ausformung 47 als auch der Rand der perme­ ablen Haube 5 samt Klammer 44 und Dichtung 45 derart beweglich gelagert ist, daß ther­ mische Ausdehnungsphänomene weitgehend aufgefangen werden.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das vorstehend angegebene Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche auch bei grundsätzlich anders ge­ arteter Ausführung von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch machen.

Claims (13)

1. Strahlungsbrenner für einen Heizkessel in der Ausführung als vollvormischender Gas-Gebläsebrenner, bestehend aus Bauteilen zur Gas- und Luftzuführung, einem Vormischraum und einem Brennerkopf mit einer Gemischführung und einer stromaufseitig einen Verteilraum und stromabseitig eine Verbrennungszone be­ grenzenden permeablen Haube, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennerkopf (3) einen Füllkörper (20) aufweist, der von die Gemischführung bildenden Kanälen (4) durchsetzt ist, wobei die Kanäle (4) den Vormischraum (17) mit dem Verteilraum verbin­ den.

2. Strahlungsbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllkörper (20) aus einem Material mit geringem Ausdeh­ nungskoeffizienten, insbesondere aus keramischem Material, besteht.

3. Strahlungsbrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllkörper (20) zylinderförmig mit der Verbrennungszone (21) zugewandter konvexer Stirnflä­ chenwölbung und dem Vormischraum (17) zugewandter konkaver Ausbauchung (22) ausgebildet ist.

4. Strahlungsbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (4) die Ausbauchung (22) radialstrahlenartig mit der Mantelfläche (23) und der Stirnfläche (24) des Füllkörpers (20) verbinden.

5. Strahlungsbrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jeweils annähernd konstanten Abständen von der Füllkörperperipherie eine Drosselhaube (25), eine Verteilhaube (26) und die permeable Haube (5) angeordnet sind.

6. Strahlungsbrenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselhaube (25) und/oder die Verteilhaube (26) aus ei­ nem Hohlzylinderteil (25a und/oder 26a), der aus einem recht­ eckigen Rohteil gewickelt und entlang einer Längsnaht ver­ schweißt ist, und einem ebenen oder gewölbten Stirnflächenteil (25b und/oder 26b) zusammengeschweißt ist.

7. Strahlungsbrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Haubendurchmesser zur Haubenlänge zwischen 0,7 und 4 liegt.

8. Strahlungsbrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die permeable Haube (5) und vor­ zugsweise auch die Drosselhaube (25) und/oder die Verteilhaube (26) aus Drahtgewebe bestehen, wobei die Drahtfasern der Mantelfläche im wesentlichen einen Winkel von 35° bis 55° mit der Längsachse (36) der Haube (5, 25, 26) einschließen.

9. Strahlungsbrenner für einen Heizkessel in der Ausführung als vollvormischender Gas-Gebläsebrenner, bestehend aus Bauteilen zur Gas- und Luftzuführung, einem Vormischraum und einem Brennerkopf mit einer Gemischführung und einer stromaufseitig einen Verteilraum und stromabseitig eine Verbrennungszone be­ grenzenden permeablen Haube, wobei der Gas-Gebläsebrenner als Sturzbrenner ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennerkopf (3) oberseitig eine hohlkegelstumpfförmige Be­ grenzung (37), insbesondere in Form einer Abdeckung bezie­ hungsweise Versteifung, aufweist.

10. Strahlungsbrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzung (37) am äußeren Umfang eine Tropfkante (38) aufweist.

11. Strahlungsbrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die permeable Haube (5) einen Flanschrand (39) aufweist, der von der Verbrennungszone (21) beabstandet mit einem Brennerkopfoberteil, insbesondere der hohlkegelstumpfförmigen Begrenzung (37) oder einer Ronde (43), verbunden ist.

12. Strahlungsbrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die permeable Haube (5) einen Flanschrand aufweist, der mittels eines peripheren Halteringes (46) unter Zwischenlage einer Dichtung (45) mit einer Ausformung (47) eines Brennerkopfoberteiles, insbesondere einer Ronde (43) zusammenwirkt, wobei der Flanschrand mit der diesen umgrei­ fenden Dichtung (45) zwischen Haltering (46) und Ausformung (47) in Abhängigkeit von der thermischen Belastung beweglich ist.

13. Strahlungsbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand der permeablen Haube (5) mit ei­ nem Brennerkopfoberteil, insbesondere der hohlkegelstumpfför­ migen Begrenzung, verbunden, insbesondere verschweißt ist, wobei im randnahen Bereich eine umlaufende Dehnungsfalte (40) vorgesehen ist.