DE19726095A1 - Konvergierende Brennerspitze - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine konvergierende Brenner­ spitze für einen Brenner, der zum Verbrennen eines Kraftstoff-Luftgemisches in einem Brennofen vorgesehen ist. Die Erfindung bezieht sich im besonderen auf eine Brennerspitze, die geeig­ net ist, einen im wesentlichen konstanten Druck innerhalb der Spitze über einen weit nach unten reichenden Bereich aufrecht­ zuerhalten, und die geeignet ist, eine gute Flammenstabilität sogar bei hohen Durchflußmengen zu fördern.

Brennerspitzen für kommerzielle Verwendung in Brennöfen unter­ liegen einer Vielfalt von wichtigen Anforderungen, einschließ­ lich Kapazitätsbedingungen, Flammenform, Flammenstabilität und Flammenrückschlagwiderstandsvermögen. Es ist eine seit langer Zeit bestehende Herausforderung in der Technik gewesen, eine Spitze zu gestalten, die ein überlegenes Flammenrückschlag­ widerstandsvermögen ohne Verzicht auf Kapazität, Flach-Flam­ menvermögen oder exzellenter Flammenstabilität bei hohen Durchflußmengen vorsieht.

Brennerspitzen nach dem Stand der Technik scheitern, einen direkten Grund des Flammenrückschlags anzugeben, der begründet wurde auf eine ungleichmäßige Druckverteilung innerhalb der Spitze. US-Patent 5,011,400 nach Vatsky offenbart eine konus­ förmige Brennerspitze, die vier Öffnungen aufweist, die Sekun­ därluft in die Düse zuführen, um sie mit dem Kraftstoff zu vermischen. Es gibt hier weder einen Hinweis, daß ein konstan­ ter Druck innerhalb der Spitze aufrechterhalten wird, noch weist die Quellenangabe auf einen Weg hin, einen Flammenrück­ schlag zu verhindern oder vorzubeugen, daß die Flamme sich selbst ausbläst, wenn sie bei einer hohen Durchflußmenge des Luft-Kraftstoffgemisches arbeitet.

US-Patent 3,529,917 nach Hindenlang offenbart eine Luftmisch­ vorrichtung für einen Brenner, der ein konisches Kegelluft­ misch- und -lenkteil umfaßt, das mit einer Vielzahl von Luft­ durchgangsöffnungen versehen ist. Das konische Kegelteil läßt einen wesentlichen Teil der Verbrennungsluft zusammenströmen und verdichten, während die Luftdurchgangsöffnungen einen Teil der Verbrennungsluft zu der Außenfläche der Halsöffnung umlei­ ten, um eine Turbulenz zu erzeugen. Diese Turbulenz ist dazu bestimmt, eine gründliche Mischung des Kraftstoffs und der Verbrennungsluft zu erzeugen und die Querschnittsfläche und Standfestigkeit der Flamme zu vergrößern. Jedoch gibt es kei­ nen Vorschlag für Mittel, um eine Kraftstoff-Luftdrucksteue­ rung innerhalb der Brennerspitze aufrechtzuerhalten oder eine gesteigerte Flammendynamik zu erreichen.

Dadurch ergibt sich ein Bedarf in der Technik für eine Brennerspitze, die einen Flammenrückschlag steuert, während sie eine hohe Kapazität, Brennerstabilität und Fähigkeit für eine flache Flamme vorsieht.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Brennerspitze mit ei­ ner hohen Kapazität vorzusehen, die ein gesteigertes Flammen­ rückschlagwiderstandsvermögen und eine besonders gute Fähig­ keit zur Bildung einer flachen Flamme zusammen mit einer guten Flammenstabilität sogar bei hohen Durchflußmengen aufweist.

Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden außerdem durch die beigefügten Zeichnungen und die Beschreibung der Erfindung ersichtlich.

Fig. 1 ist eine schematische Zeichnung einer Ausführungs­ form einer Brennerspitze in Übereinstimmung mit der Erfindung.

Fig. 2 ist die Brennerspitzenausführungsform dargestellt in Fig. 1 in einem Längsschnitt zum leichteren Ver­ stehen, und

Fig. 3 ist eine ähnliche Schnittansicht einer alternativen Formgebung der Erfindung.

Diese Erfindung umfaßt eine Brennerspitze, die in der Richtung des Kraftstofflußverlaufs konvergiert. Der konvergierende Ab­ schnitt ist mit einer Vielzahl besonders bemessenen und positionierten Durchlässen oder Öffnungen versehen und weist auch eine quer angeordnete Leitfläche auf, die sich im ablie­ genden Teil der Düse befindet. Die konvergierende Form der Spitze wirkt mit den offenen Bereichen der Durchlässe zusammen um einen im wesentlichen konstanten Fluiddruck innerhalb der Spitze aufrechtzuerhalten; wie die Summe der stromabwärtigen Durchlaßbereiche entlang des konvergierenden Teils abnimmt, so nimmt die Querschnittsflußfläche der Spitze proportional ab, wodurch ein im wesentlichen konstanter Fluiddruck innerhalb der Spitze entlang ihrer Länge vorgesehen wird. Das Flammen­ rückschlagwiderstandsvermögen wird bedeutsam gesteigert. Dies ist auch wichtig in Übereinstimmung mit dieser Erfindung, den gesamten Flächenbereich der Spitze verglichen mit einer zylin­ drischen Spitze der gleichen Länge und Einlaßdurchmessers zu reduzieren. Eine querlaufende Platte oder Scheibe ist vorzugs­ weise an einem stromabwärtigen Teil der konvergierenden Spitze positioniert und hilft, eine im wesentlichen flache Flamme zu erzeugen und richtet die Flamme entlang der benachbarten Flä­ chen einer Brennofenwand.

Eine querlaufende Scheibe ist vorzugsweise, aber nicht notwen­ digerweise mittels eines Bolzens an der Brennerspitze ange­ bracht, wobei der Bolzen zum Teil wenigstens einige Durchlässe an dem konischen Teil behindert, um die Flammenstabilität zu verbessern.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Die Beschreibung ist auf die Ausführungsformen gerichtet, die für die Abbildung in den Zeichnungen ausgewählt wurden, und sie ist nicht dazu be­ stimmt, den Umfang der beigefügten Ansprüche zu begrenzen.

Fig. 1 und 2 zeigen die konvergierende Wand der Spitze als einen Abschnitt eines Konus, um eine konusförmige Brennerspit­ ze 10 vorzusehen. Ein konisches Teil 12 ist mit einer Vielzahl von Durchlässen 14 ausgestattet. Es ist wichtig zu bemerken, daß Durchlässe 14 so positioniert und bemessen sind, daß ein im wesentlichen konstantes Verhältnis zwischen jedem Quer­ schnittflußbereich des konischen Teils 12 und der gesamten An­ zahl dieser Durchlaßbereiche, die stromabwärts von diesem Querschnittflußbereich angeordnet sind, aufrechterhalten wird.

Eine ebene Platte oder Scheibe 16 ist an dem distalen Ab­ schnitt des konischen Teils 12 angeordnet, während der Brennerkörper 11 an dem proximalen Abschnitt des konischen Teils 12 vorgesehen ist und nach außen divergierende Wände aufweist.

In Fig. 2 ist die konusförmige Brennerspitze von Fig. 1 im Schnitt dargestellt, wodurch ein Bolzen 18 erkennbar ist, der dazu verwendet werden kann, die Scheibe 16 an dem konischen Teil 12 zu befestigen. Brennerkörper 11 und konisches Teil 12 bestimmen eine Passage 13 für den Durchfluß des erforderlichen Kraftstoff-Luftgemisches, das ein Vorgemisch sein kann oder durch Ansaugung in an sich bekannter Weise gebildet wird. Wäh­ rend des Betriebs in einem Brennofen fließt das Gemisch aus Luft und Kraftstoff axial entlang der Passage 13 zu dem koni­ schen Teil 12. Durchlässe 14 können ungleichmäßige oder vor­ zugsweise gleichmäßige Bereiche bilden und sind so bemessen und positioniert, um ein im wesentlichen konstantes Verhältnis zu erhalten, das erzielt wird durch das Bestimmen des Quer­ schnittflußbereichs bei irgendeinem gegebenen Querschnitt des konischen Teils 12, geteilt durch die Summe aller Durchlaßbe­ reiche, die stromabwärts des gleichen Querschnitts angeordnet sind. Dies wurde nachgewiesen, um einen im wesentlichen kon­ stanten Druck innerhalb des konischen Teils 12 über einen wei­ ten Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten vorzusehen. Bei diesem im wesentlichen konstanten Druck wurde herausgefunden, daß er die gesamte Flammenrückschlagwiderstandfähigkeit der Spitze bedeutsam steigert und andere wichtige Vorteile er­ zielt, die in dieser Beschreibung noch genauer erörtert wer­ den. Vorzugsweise ist das Verhältnis des stromabwärtigen Durchlaßbereichs zu dem Querschnittsflußbereich ungefähr ein­ heitlich bei meist jedem Querschnitt der Spitze.

Die Scheibe 16 wirkt mit der Anordnung der Öffnungen 14 zusam­ men, um eine flache Flamme zu erzeugen, wobei sie die Flamme von der Brennerspitze in einer im wesentlichen flachen Form entlang der umgebenden Abschnitte der Brennofenwand richtet. Der Bolzen 18 verdeckt zum Teil einige der Durchlässe 14, wo­ bei herausgefunden wurde, daß dies in einigen Fällen die Flam­ menstabilität verbessert.

Fig. 3 zeigt eine alternative Formgebung, in der die Spitze eine im allgemeinen kugelförmige konvergierende Wand 20 auf­ weist, die hier in der Form einer Halbkugel gezeigt ist. Es können verschiedene Formgebungen vorgesehen werden, die mehr oder weniger dann eine Hälfte einer Kugel umfassen, und es ist sehr vorteilhaft im Hinblick auf seine Verringerung des Flä­ chenbereichs, der dem heißesten Abschnitt des Brennofens aus­ gesetzt ist.

Es wurde herausgefunden, daß in Verbindung mit der Aufrechter­ haltung eines im wesentlichen konstanten Drucks innerhalb der Spitze die konvergierende Form der Spitze den Spitzenflächen­ bereich verringert und so den Wärmebetrag reduziert, der von der Spitze aufgenommen wird, besonders wenn die Spitze relativ tief in einen heißen Brennofen hineinragen soll. Je weniger Wärme die Spitze aufnimmt, desto größer ist die Verbesserung des dem Flammenrückschlagwiderstandsvermögens.

Es wird angenommen, daß das Vorsehen der flachen Platte oder Scheibe 16 stromabwärts der Öffnungen 14 die Fluiddynamik außerhalb der Spitze steigert und gegen die Brennofenumgebung abschirmt, um die Flamme zu stabilisieren. Dies geschieht so­ gar in dem Fall eines sehr hohen Durchflusses eines Kraft­ stoff-Luftgemisches in der Richtung des Pfeils durch den Brennerkörper 11 und ist ein wichtiges und vorteilhaftes Merk­ mal der Erfindung.

Zusätzlich wird eine exzellente Flammenrückschlagwiderstands­ fähigkeit in Übereinstimmung mit dieser Erfindung vorgesehen, indem das Vorhandensein einer laminaren Strömung im Hinblick auf die innen gekrümmte Konfiguration der Brennerspitze ver­ ringert wird. Ein Brenner in Übereinstimmung mit dieser Erfin­ dung hat eine bemerkenswerte Fähigkeit, dem Flammenrückschlag, sogar bei geringen Durchflußmengen, standzuhalten.

In Übereinstimmung mit dieser Erfindung ist es möglich, einen radikal angewachsenen Durchsatz des Kraftstoff-Luftgemisches für eine vorgegebene Rohrgröße des Brennerkörpers 11 zu erhal­ ten, wobei ermöglicht wird, daß der Durchsatz weit über das gewöhnliche Ausmaß zunimmt, während die Flamme stabilisiert wird, so daß die Flamme sich nicht selbst auslöschen kann.

Es wird in Übereinstimmung mit dieser Erfindung bevorzugt, daß die Löcher, die in dem konvergierenden Abschnitt der Brenner­ spitze vorgesehen sind, einen größeren Gesamtbereich aufweisen als der Querschnitt des Brennerrohrs 11, das angrenzend an den konvergierenden Spitzenendabschnitt vorhanden ist.

Diese Erfindung ist anwendbar auf ein weites Spektrum von Kur­ venformen des innenliegenden, konvergierenden, durchlöcherten Brennerspitzenendteils, besonders einschließlich konischer, kegelstumpfförmiger und halbkugelförmiger Formgebung. Die halbkugelförmige Konfiguration ist besonders vorteilhaft, da­ durch, daß sie dazu tendiert, den ausgesetzten Flächenbereich zu verringern verglichen zu dem Flächenbereich, der bei einem Zylinder mit einem vergleichbaren Durchmesser ausgesetzt wird.

Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Vorrich­ tungsformen beschrieben wurde, können verschiedene Äquivalente ersetzt werden, ohne daß von dem Sinn und Umfang der Erfin­ dung, die in den angefügten Ansprüchen bestimmt ist, abge­ wichen wird. Zum Beispiel können Durchlässe 14 verschiedene Größen, Formen und Verteilungen aufweisen, solange ein im we­ sentlichen konstantes Verhältnis zwischen jedem Querschnitts­ flußbereich innerhalb des konvergierenden Teils 12 und der Summe der stromabwärtigen Durchlaßbereiche von diesem Quer­ schnittsflußbereich aufrechterhalten wird. Die Verwendung von verschiedenen Kurvenformen des konvergierenden Abschnitts der Spitze oder zusätzliche Ausführungsformen und Modifikationen, die Äquivalente der Erfindung repräsentieren, können für einen Fachmann angesichts dieser Lehre vorgesehen werden und sind innerhalb des Sinns und Umfangs der Erfindung wie in den An­ sprüchen bestimmt enthalten.

Claims (15)

1. Brenner für die Verwendung in einem Ofen, wobei der Bren­ ner ein verbessertes Widerstandsvermögen gegen Flammen­ rückschlag aufweist und eine Düse und einen stromaufwär­ tigen Abschnitt für die Aufnahme von Luft- und Kraftstoff und einen stromabwärtigen Abschnitt aufweist, der für die Zuführung von Luft- und Kraftstoff in die Düse angeordnet ist, wobei der Brenner umfaßt:
eine Einrichtung, die einen Einlaß vorsieht, der mit dem stromaufwärtigen Brennerabschnitt zur Zufuhr von Luft- und Kraftstoff verbunden ist,
wobei der Brenner einen Körperabschnitt aufweist, der stromabwärts des Einlasses positioniert ist, der eine Körperpassage (13) bestimmt, durch die Luft und Kraftstoff strömen;
wobei die Düse einen Spitzenabschnitt aufweist, der stromabwärts an dem Körperabschnitt positioniert ist und eine Spitzenpassage hat, durch die Luft und Kraftstoff strömt,
wobei der Spitzenabschnitt innen in stromabwärtiger Rich­ tung gekrümmt ist und eine Vielzahl von Spitzenöffnungen (14) aufweist, die einen Teil des Kraftstoffs und der Luft von dem Spitzenabschnitt in Richtung auf den Innenraum des Ofens leiten,
wobei Spitzenöffnungen (14) so bemessen und positioniert sind, daß die Querschnittsfläche von im wesentlichen irgendeinem Querschnitt des Spitzenabschnitts im wesent­ lichen gleich oder kleiner als die Summe der Flächen ist, deren Öffnungen an der Querschnittsfläche angeordnet sind und von denen, die stromabwärts von der Querschnittsflä­ che überall an dem Spitzenabschnitt angeordnet sind, wo­ durch ein im wesentlichen konstanter Druck überall in dem Inneren des Spitzenabschnitts aufrechterhalten wird und eine im wesentlichen laminare Luft- und Kraftstoffströ­ mung entlang des Spitzenabschnitts verhindert wird.

2. Brenner gemäß Anspruch 1, bei dem die gesamte Fläche der Spitzenöffnungen (14) größer ist als die Querschnittsfläche der Brennerkörperpassage (13).

3. Brenner nach Anspruch 1, bei dem das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche der Spitzenpassage und der Summe der Flächen, bei denen die Öffnungen (14) stromabwärts von der Querschnittsfläche angeordnet sind, im wesentlichen ungefähr überall entlang der Länge des Spitzenabschnitts gleich ist.

4. Brenner nach Anspruch 1, bei dem die Öffnungen (14) im Spitzenabschnitt eine im we­ sentlichen gleichmäßige Größe aufweisen.

5. Brenner nach Anspruch 1, bei dem die Spitze eine im wesentlichen kugelförmige Kon­ figuration aufweist.

6. Brenner nach Anspruch 1, bei dem die Spitze eine im wesentlichen konische Konfigu­ ration aufweist.

7. Brenner für die Verwendung in einem Ofen, der ein verbes­ sertes Widerstandsvermögen gegen Flammenrückschlag auf­ weist, wobei er einen stromaufwärtigen Endabschnitt zur Aufnahme von Luft- und Kraftstoff und einen stromabwärti­ gen Endabschnitt hat, zur Zuführung von Luft- und Kraft­ stoffin den Innenraum des Ofens, wobei der Brenner um­ faßt:
Mittel, die einen Einlaß bilden, der mit dem stromaufwär­ tigen Endabschnitt des Brenners für die Zuführung von Luft- und Kraftstoff verbunden ist,
einen Körper, der stromabwärts von dem Einlaß positio­ niert ist und eine Körperpassage (13) bestimmt, durch die Luft- und Kraftstoffströmen,
wobei der Körper einen Spitzenabschnitt umfaßt, der stromabwärts von dem Einlaß positioniert ist, wobei der Spitzenabschnitt eine Längsachse und eine Wand aufweist, die eine Spitzenpassage bestimmen, die mit der Körperpas­ sage, durch die Luft- und Kraftstoffströmen, zusammen­ wirkt, wobei der Spitzenabschnitt eine im wesentlichen konische Form aufweist, bei der die Wand innen in strom­ abwärtiger Richtung entlang der Länge des Spitzenab­ schnitts konisch zuläuft, wobei die Spitzenabschnittwand eine Vielzahl von Öffnungen für die Strömung der Luft und des Kraftstoffs von der Spitzenpassage aufweist, um eine Flamme zu bilden, die sich in den Innenraum des Brenn­ ofens erstreckt, wobei Öffnungen an der Wand dimensio­ niert und positioniert sind, so daß ein Verhältnis zwischen einer gegebenen Querschnittsfläche der Spitzen­ passage und der Summe der Flächen der Öffnungen, die stromabwärts von der Querschnittsfläche angeordnet sind, im wesentlichen überall entlang der Länge des Spitzenab­ schnitts konstant bleiben, wodurch ein im wesentlichen konstanter Druck innerhalb des Spitzenabschnitts auf­ rechterhalten wird;
und eine sich quer erstreckende Leitfläche mit dem Spit­ zenabschnitt verbunden und an dem stromabwärtigen Endab­ schnitt des Spitzenabschnitts positioniert ist und sich radial nach außen von dem Spitzenabschnitt bei einem Win­ kel zu einer Achse des Brenners erstreckt, um wenigstens einen Teil der Brennerflamme im wesentlichen quer nach außen unter Bezugnahme auf die Längsachse der Spitze zu richten.

8. Brenner gemäß Anspruch 7, der des weiteren ein Befestigungsteil umfaßt, das die Leitfläche mit dem Spitzenabschnitt des Brenners verbin­ det, wobei ein Abschnitt des Befestigungsteils sich in die Spitzenpassage erstreckt und so positioniert ist, daß es teilweise wenigstens eine Öffnung in der Wand des Spitzenabschnitts verdeckt.

9. Brenner gemäß Anspruch 7, bei dem das Verhältnis zwischen einer Querschnitt fläche der Spitzenpassage und einer Summe der Flächen der Öff­ nungen, die stromabwärts an der Querschnittsfläche ange­ bracht sind, ungefähr gleich überall entlang der Länge des Spitzenabschnitts ist.

10. Brenner nach Anspruch 7, bei dem die Öffnungen in der Wand des Spitzenabschnitts eine im wesentlichen einheitliche Größe aufweisen.

11. Brenner nach Anspruch 7, bei dem die Spitze eine im wesentlichen kugelförmige Kon­ figuration aufweist.

12. Brenner nach Anspruch 7, bei dem die Spitze eine im wesentlichen konische Konfigu­ ration aufweist.

13. Brenner nach Anspruch 7, bei dem die Spitze halbkugelförmig ist.

14. Brenner nach Anspruch 7, bei dem die Spitze ein Kegelstumpf ist.

15. Brenner nach Anspruch 7, bei dem die Gesamt fläche der Spitzenöffnungen größer als die Querschnittsfläche der Körperpassage ist.