DE1955356A1

DE1955356A1 - Brenner fuer fliessfaehige Brennstoffe

Info

Publication number: DE1955356A1
Application number: DE19691955356
Authority: DE
Inventors: Whyman Barry Herbert Francis; Desty Denis Henry; Whitehead David Montagu
Original assignee: BP PLC
Current assignee: BP PLC
Priority date: 1968-11-06
Filing date: 1969-11-04
Publication date: 1970-06-11
Also published as: NO126239B; JPS5313821B1; FR2022692A1; AT308328B; CH502554A; GB1271370A; SE356571B; DE1955357A1; NL6916675A; BE741365A

Description

PATENTANWÄLTE

DR-ING. VON KREISLER DR.-ING. SCHÖNWALD DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DiPL-CHEM. ALEK VON KREISLER DIPL-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLDPSCH

KÖLN 1, DEICHMANNHAUS _Λ -. _r ._ _o _ _

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Köln, den jj. November I969 Ke/Ki -

The British Petroleum Company Limited, Britannic House, Moor Lane, London-," E.C.2 (England)

Brenner für fließfähige Brennstoffe (Zusatz zu Patent Patentanmeldung P l8 01 925.5)

Die Erfindung betrifft einen Brenner für fließfähige Brennstoffe, insbesondere einen Brenner für.verdampfbare Flüssigkeiten und für gasförmige Brennstoffe.

Gegenstand des Hauptpatentes (Patentanmeldung

P l8 01 925.5) ist ein Brenner für flüssige und gasförmige Brennstoffe mit einer Vielzahl von vorzugsweise zylindrischen, in.bezug auf ihre Achsen parallel zueinander angeordneten Verbrennungsluftrohren und Zwischenräumen, die eine Verbrennungskammer mit niedrigem Strömungswiderstand gegenüber dem Brennstoff bilden. Dieser Brenner ist dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffaustrittsraum eine Füllung zur Regelung des Brennstoffzuflusses zur Verbrennungskammer aufweist. Die Füllung kann entweder Kanäle von Kapillargröße bilden, beispielsweise zv/ischen verschiedenen Packungselementen und/oder zwischen den Packungen und den Verbrennungsluftrohren, oder sie kann aus porösem Material bestehen, das Einzelteilchen und miteinander verbundene Teilchen enthält. Auch hier werden Kapillarkanäle gebildet, durch die der Brennstoff jedoch im Brennstoffaustrittsraum mittels Oberflächenspannung übertragen wird. Beide Mechanismen können aber auch gleichzeitig wirksam werden. Die die Füllung bildenden Teilchen können durch Sintern und/

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oder durch Bindemittel miteinander verbunden sein. Als Werkstoff für diese Teilchen ist in diesem älteren Vorschlag geschmolzenes und zu einem Pulver vermahlenes Aluminiumoxyd genannt, während als nicht poröse, Kanäle von Kapillargröße bildende Füllungen beispielsweise unglasierte Keramikrohre erwähnt werden. Zur Unterstützung der Verdampfung des Brennstoffes kann man eine Füllung mit thermischer Leitfähigkeit einsetzen und vor dem durch die Füllung in dem Brennstoffaustrittsraum geschaffenen Raum mit hohem Strömungswiderstand einen Raum mit niedrigem strömungswiderstand (Brennstoffeintrittsraum) anordnen. Außerdem ist es von Vorteil, de/i Brenner zusätzlich mit einer oder mehreren im Brennstoffaustrittsraum endenden Brennstoff leitungen für während des Gebrauchs brennende Zündflammen auszustatten. ■

In weiterer Ausbildung des Gegenstandes des Hauptpatentes (Patentanmeldung P 18 01 925.5) wurde nun gefunden, daß es von besonderem Vorteil ist, wenn bei einer in Brennstoffeintrittsraum mit geringem Widerstand gegenüber dem Brennstoffzufluß und Brennstoffaustrittsraum unterteilte Brennstoffkammer die Brennstoffaustrittskammer mit einem Metallschwamm abgedichtet ist, der den Zufluß des Brennstoffes von dem Eintrittsraum mit geringem Widerstand in die Verbrennungszone steuert, wo er während des Betriebs des Brenners mit der Luft reagiert, die durch die Verbrennungsluftrohre in die Verbrennungszone strömt.

Mit "Metallschwamm" wird ein Werkstoff bezeichnet, der miteinander in Verbindung stehende Poren aufweist, die so angeordnet sind, daß ein fließfähiges Medium von Pore zu Pore und somit durch den Schwamm hindurch gelangen kann.

Wird ein Brenner mit gasförmigem Brennstoff betrieben, so setzt der Metallschwamm dem Brennstoffzufluß einen verhältnismäßig hohen Widerstand entgegen, und die Kombination eines Eintrittsraumes von geringem Widerstand, dem sich ein Schwamm

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mit hohem Widerstand anschließt, fördert eine gleichmässige Brennstoffverteilung. Um einen hohen Widerstand zu erreichen, muß die Porengröße des Metallschwammes ausreichend klein sein, und Porengrößen eines mittleren Durchmessers von 0,1 bis 0,5 mm haben sich beispielsweise als besonders geeignet erwiesen.

Wird ein Brenner mit einem verdampfbaren flüssigen Brennstoff betrieben, beispielsweise mit Kerosin, so überträgt der Metallschwamm den Brennstoff mittels Kapillarwirkung. Da der Metallschwamm jedocn ein guter Wärmeleiter ist, überträgt er die Wärme von der Flamme zum Brennstoff und unterstützt auf diese Weise die Verdampfung in die Verbrennungszone.

Als Metallschwämme können solche mit kapillarförmigen Durchgängen in den Wänden der Poren verwendet werden, und falls kein Fehler vorliegt, gehen die Kapillargänge durch den gesamten Schwamm hindurch. Es sind aber auch Perforationen möglich, die die Kapillargänge mit den Poren verbinden.

Schwämme der soeben beschriebenen Art sind insbesondere für die Verwendung in Brennern mit flüssigem Brennstoff geeignet, da die Kapillargänge einen wichtigen Beitrag zur Weiterleitung des Brennstoffes leisten. Die Schwämme können in üblicher Weise hergestellt werden, indem man zunächst einen Kunststoffschwamm geeigneter Porengröße herstellt, diesen metallisiert und den metallisierten Kunststoffschwamm dann erhitzt, um das Kunststoffmaterial zu entfernen.

Es ist möglich, den ursprünglichen Kunststoffschaum in die erforderliche Form und Abmessung zu bringen, man kann aber auch Schaumstoffschichten unterschiedlicher Porengröße formen, d.h. die Bildung des Metallschwammes kann

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ausgenutzt werden, um Dichtungsteile der erforderlichen Form und richtigen Abmessungen vorzufertigen.

Es ist hervorzuheben, daß der Bereich der Porengrößen, die für einen Gasbrenner hohen Widerstandes geeignet sind, sich mit dem Bereich der Porengrößen überschneidet, die für Dochtbrenner für flüssige Brennstoffe In Frage kommen. Hierdurch ist es möglich, einen einzigen Brenner herzustellen, der ohne Abänderung in einem weiten Bereich flüssiger und gasförmiger Brennstoffe arbeitet, beispielsweise mit Kerosin, Erdgas und Stadtgas. Will man hiervon Gebrauch machen, so ist es im allgemeinen notwendig, besondere Einstellungen an der Brennstoffzufuhr vorzunehmen oder aber, wenn sowohl flüssige als auch gasförmige Brennstoffe verwendet werden sollen,,zwei voneinander unabhängige Systeme für die Brennstoffzufuhr vorzusehen. ·

Bei allen oben beschriebenen Brennern können insbesondere zylindrische Verbrennungsluftrohre verwendet werden. Besonders geeignet ist es, die Verbrennungsluftrohre achsparallel zueinander anzuordnen.

Die Strömung des Brennstoffes des oben beschriebenen Brenners ist auf den Luftstrom aus den Verbrennungsluftrohren ausgerichtet und ergibt eine gute Verbrennung. Wenn jedoch sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Brennstoffes erforderlich sind, kann eine bessere Verbrennung erreicht werden, wenn der Brennstoff in die aus den Verbrennungsluftrohren ausströmende Verbrennungsluft abgelenkt wird. Wenn dies erforderlich ist, kann der Brenner mit einem Ablenkblech über dem Brennstoffaustrittsraum versehen werden.

Die Erfindung umfaßt ferner einen für gasförmige Brennstoffe vorgesehenen Brenner der vorstehend beschriebenen Art, der außerdem mit einer oder mehreren im Brennstoffaustrittsraum endenden Leitungen für Zündflammen versehen

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,ist, die so bemessen sind, daß sie während des Betriebes genügend Brennstoff für die Unterhaltung einer- Zündflamme zur Wiederzündung zuführen. Die Zündflammenleitung oder, wenn mehrere Zühdflammenleitungen verwendet werden, jede Zündflammenleitung endet in der Nähe der Grenze zwischen dem Brennstoffaustrittsraum und dem Brennstoffeintrittsraum.

Zur Erzielung optimaler Leistung der vorstehend beschriebenen Brenner sind die Querschnittsfläche und die Dichte der Füllung der Verbrennungsluftrohre besonders wichtig. Die Querschnittsfläche der Verbrennungsluftrohre beeinflußt deren Widerstand gegen die Luftströmung. Durch eine Verkleinerung dieser Fläche wird der Widerstand eindeutig erhöht. Die Dichte der Füllung bestimmt die Länge der Difusionswege, wobei kurze Wege die Vermischung von Brennstoff und Sauerstoff begünstigen. Die Querschnittsfläche ist ferner insofern wichtig, als sie die Zahl der Rohre . begrenzt, die in eine gegebene Fläche eingesetzt werden können. Es wurde festgestellt, daß optimale Abmessungen gewöhnlich erreicht werden, wenn die Bohrung jedes Verbrennungsluftrohres an der Stelle, an der es sich in die

ρ Verbrennungszone öffnet, 0,01 bis 1,0 cm beträgt und die Bohrungen der Rohre mindestens 25 %» insbesondere mindestens 50 % der Oberfläche des der Verbrennungszone benachbarten Brennstoffaustrittsraumes ausmachen.

Die Erfindung umfaßt Verbrennungsvorrichtungen, die einen oder mehrere Brenner der oben beschriebenen Art enthalten, beispielsweise einen Brenner, der in eine Verbrennungskammer eingesetzt ist, die mit einem Kamin verbunden werden kann.

Als Beispiel für eine solche Verbrennungsvorrichtung kann eine Vorrichtung genannt werden, die zum Erhitzen eines fließfähigen Mediums vorgesehen, ist, beispielsweise einen

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Zentralheizungsboiler, der außerdem einen Wärmeaustauscher aufweist, der so angeordnet ist, daß er heiße Gase aufnimmt, wenn die Verbrennungsvorrichtung in Betrieb ist.

Als zweites Beispiel sei eine Verbrennungsvorrichtung für Strahlungswärme genannt, die mit einem in der Verbrennungszone so angeordneten Bauteil aus Keramik ausgestattet ist, daß das Bauteil während des Betriebs der Vorrichtung durch die Verbrennung erhitzt wird. Diese Kombination eignet sich besonders gut für Ofenkonstruktionen, d.h. die Strahlungselemente bilden Wände und/oder den Boden und/oder die Oberseite des "Heizraumes". Es ist natürlich zweckmäßig, den "Heizraum¹¹ in drei Dimensionen mit Strahlungselementen zu umgeben, jedoch ist es notwendig, eine öffnung für die Rauchgase und eine Tür vorzusehen. Gegebenenfalls könnte die Tür die Form von beweglichen Kombinationen aus Brenner und keramischem Strahlungselement haben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Abbildungen näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt perspektivisch einen Brenner gemäß der Erfindung.

Figg. 2 und 3 sind waagerechte Schnitte durch einen Brenner gemäß der Erfindung.

Fig. 4 ist ein senkrechter Schnitt durch den in Figg. 2 und 3 dargestellten Brenner.

Fig. 5 zeigt ein Detail der Kantenkonstruktion.

Fig. 1 vermittelt einen Eindruck bezüglich des Aussehens eines Brenners gemäß der Erfindung. Der Brenner besteht aus einer rechteckigen Kammer 10, durch die eine Vielzahl von Verbrennungsluftrohren 11 geführt ist. In dem Zwischenraum zwischen den Verbrennungsluftrohren 11 ist ein

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Metallschwamm 12 angeordnet. Wenn der Brenner in Betrieb ist, tritt Brennstoff an der Oberseite des Metallschwammes 12 in die Verbrennungszone aus, wo er mit der Verbrennungsluft, die aus den Verbrennungsluftrohren 11 austritt, verbrennt. Der Brennstoff wird durch das Brennstoff einlaßrohr 13 zugeführt, und dort kann eine Verteilerkammer 19 angeordnet sein, um die gleichmäßige Verteilung des Brennstoffes zu erleichtern.

Pigg. 2 bis" 4 zeigen ausführlicher eine Ausführungsform des Brenners gemäß der Erfindung, in der die Brennstoffkammer gebildet wird von einem mechanisch selbsttragenden Blechkasten. Flg. 2 zeigt, wie der Zwischenraum zwischen den Verbrennungsluftrohren 11 mit einem Metallschwamm 12 in der oberen Hälfte-des Brenners gefüllt ist. Pig. 3 zeigt, daß die untere Hälfte des Brenners ebenso aufgebaut ist mit dem Unterschied, daß der Metallschwamm weggelassen worden ist. Dies wird ebenso in Flg. 4 dargestellt, wobei gezeigt wird, daß die Verbrennungsluftrohre 11 gas- und flüssigkeitsdicht in Löcher einer Grundplatte 20 eingelötet sind.

Die Betriebsweise des in den Figg. 2 bis 4 dargestellten Brenners für flüssige und gasförmige Brennstoffe wird im folgenden beschrieben. Ein gasförmiger Brennstoff gelangt durch die Brennstoffzuführungsleitung 13 in den Brennstoffeintrittsraum 14 mit niedrigem Widerstand gegenüber der Gasströmung. Um zu entweichen,muß der Brennstoff durch einen Metallschwamm 12 mit hohem Strömungswiderstand hindurchtreten« Der hohe Strömungswiderstand veranlaßt den Brennstoff, sich gleichmäßig im Brennstoffeintrittsraum 14 zu verteilen, wodurch die gleichmäßige Verteilung im Metallschwamm 12 gefördert und auf diese Weise auch eine gleichmäßige Verteilung in die Verbrennungszone bewirkt wird. Die Verteilerkammer 19 unterstützt die gleichmäßige Verteilung des Brennstoffes. Während der Brennstoff an der Oberseite des Metallschwammes 12 ausströmt, strömt Verbrennungsluft aus den Verbrennungs-

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luftrohren 11 aus, worauf durch einen ruhigen Difiusionsvorgang Verbrennung unter Ausbildung blauer Flammen, die sich von der Oberseite des Brenners aus auf weniger als 5 mm ausdehnen, einsetzt. Um den soeben beschriebenen Vorgang zu verwirklichen, ist es selbstverständlich notwendig sicherzustellen, daß in dem Metallschwamm 12 keine Kanäle mit niedrigem Widerstand vorliegen, also weder zwischen dem Metallschwamm 12 und den Wänden der Verbrennungsluftrohre noch zwischen dem Metallschwamm 12 und den Seitenwänden des Brenners.

In manchen Fällen kann ein Brenner dazu neigen, an seinem äußeren Rand bevorzugt Brennstoff zu verbrennen. Diese Neigung tritt im allgemeinen deshalb auf, weil keine Verbrennungsluftrohre vorliegen, die den Rand des Brenners durchsetzen. Di'ese Neigung kann mittels einer Metallplatte korrigiert werden, die Teile des Metallschwammes 12 zwischen den äußersten Verbrennungsrohren blockiert; man kann aber auch die Seitenwände der rechteckigen Verbrennungskammer 10 nach oben und innen erweitern, wodurch die Gasströmung am Rand des Brenners nach innen abgelenkt wird. Diese Erweiterungen sind in den Zeichnungen nicht dargestellt. Wahlweise können, wie in Fig. 5 dargestellt, zusätzliche Verbrennungsluftrohre vorgesehen werden.. Es ist zu bemerken, daß die zusätzlichen Rohre 21 einen geringeren Durchmesser haben als die Rohre 11, damit sie in den verkleinerten Zwischenraum hineinpassen, der innerhalb der Begrenzungen des Brenners zur Verfügung steht.

Auch ein flüssiger Brennstoff tritt durch die Brennstoffeinlaßleitung 13 ein, und in diesem Falle überflutet der Brennstoff den Eintrittsraum 14. Während des Betriebes ist es notwendig, den Flüssigkeitsspiegel hoch genug zu halten, um die Basis des Metallschwammes 12 einzutauchen. Sobald diese Basis des Schwammes eintaucht, wird durch die Kapilarwirkung der Brennstoff durch den Metallschwamm hindurchgefördert, und die Verbrennungswärme verdampft

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den Brennstoff in die Verbrennungszone. Die Wärmeleitfähigkeit des Metallschwammes fördert dieses Verdampfen. Es ist zu bemerken, daß der flüssige Brennstoff in die Verbrennungszone tatsächlich in der Dampfphase eintritt und daß deshalb die Verbrennung so stattfindet, wie es für einen Gasbrenner beschrieben wurde.

Zweifellos bewirkt ein höherer Flüssigkeitsspiegel, wobei ein größerer Teil des Metallschwammes 12 unter die Flüssigkeitsoberfläche eintaucht, eine höhere Brennstoffzufuhr zur Verbrennungszone und damit eine größere Heizleistung. Dies kann mit Hilfe von zwei verschiedenen Steuersystemen ausgenutzt werden. Beim ersten System steuert die Brennstoffzufuhr einen einstellbaren Niveauregler, wodurch hohe und niedrige Flüssigkeitsspiegel eingestellt werden können, um hohe und niedrige Wärmeleistungen zu erreichen. Im zweiten Falle steuert die Brennstoffzufuhr einen einstellbaren Strömungsregler. Ist die Strömungsgeschwindigkeit für die Wärmeleistung zu hoch, so steigt der Flüssigkeitsspiegel und die Wärmeleistung wird erhöht. Ist der Flüssigkeitsspiegel zu niedrig, so wird die Strömungsgeschwindigkeit herabgesetzt und die Wärmeleistung sinkt ebenfalls. Auf diese Art und Weise paßt sich die Wärmeleistung selbst der Strömungsgeschwindigkeit an.

Alle im Zusammenhang mit Gasbrennern oben angegebenen Konstruktionsmerkmale zeigen eine befriedigende Wirkung auch im Falle von Brennern für flüssige Brennstoffe. Hierbei ist es aber nicht notwendig, für die Abwesenheit von Kanälen niedrigen Widerstandes durch den Metallschwamm 12 hindurch zu sorgen, weil diese keinen ungünstigen Einfluß auf die Dochtwirkung haben. Damit ergibt sich eine bessere Möglichkeit zur Steuerung der bevorzugten Verbrennung am Rande des Brenners, da der Metallschwamm nicht sämtliche Zwischenräume zwischen den äußersten Verbrennungsrohren ausfüllt.

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Bestimmte Metallschwämme zeigen einen günstigen hohen Widerstand gegenüber gasförmigen Brennstoffen und günstige Dochtwirkung bei flüssigen Brennstoffen. Ein unter Verwendung eines solchen Metallschwammes gefertigter Gasbrenner kann auch mit flüssigem Brennstoff betrieben werden.

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Claims

Ansprüche

Brenner für flüssige und gasförmige Brennstoffe mit einer Vielzahl von vorzugsweise zylindrischen, in bezug auf ihre Achsen parallel zueinander angeordneten Verbrennungsluftrohren und Zwischenräumen, die eine Verbrennungskammer mit niedrigem Strömungswiderstand gegenüber dem Brennstoff bilden, sowie einer im Brennstoffaustrittsraum angeordneten Füllung zur Regelung des BrennstoffZuflusses zur Verbrennungskammer nach Patent (Patentanmeldung P 18 01 925.5), dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffaustrittskammer mit einem den Brennstoffzufluß vom Brennstoffeintrittsraum in die Verbrennungszone steuernden Metallschwamm abgedichtet 1st.
2) Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der abdichtende Metallschwamm Porengrößen eines mittleren Durchmessers von 0,1 bis 0,5 nun aufweist.
5) Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer oder mehreren im Brennstoffaustrittsraum endenden ZUndflammenleitungen ausgestattet ist.
4) Brenner nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine zusätzliche, die Brennstoffverteilung im Brenner fördernde Verteilerkammer.

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