DE19726095B4 - Konvergierende Brennerspitze - Google Patents

Abstract

Brenner für die Verwendung in einem Ofen, wobei der Brenner ein verbessertes Widerstandsvermögen gegen Flammenrückschlag aufweist und eine Düse und einen stromaufwärtigen 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 Richtung gekrümmt ist und eine Vielzahl von Spitzenöffnungen (14) aufweist, die einen Teil des Kraftstoffs und der Luft von dem Spitzenabschnitt in Richtung...

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine konvergierende Brennerspitze für einen Brenner, der zum Verbrennen eines Kraftstoff-Luftgemisches in einem Brennofen vorgesehen ist. Die Erfindung bezieht sich im besonderen auf eine Brennerspitze, die geeignet ist, einen im wesentlichen konstanten Druck innerhalb der Spitze über einen weit nach unten reichenden Bereich aufrechtzuerhalten, und die geeignet ist, eine gute Flammenstabilität sogar bei hohen Durchflußmengen zu fördern.
• Brennerspitzen für kommerzielle Verwendung in Brennöfen unterliegen einer Vielfalt von wichtigen Anforderungen, einschließlich Kapazitätsbedingungen, Flammenform, Flammenstabilität und Flammenrückschlagwiderstandsvermögen. Es ist eine seit langer Zeit bestehende Herausforderung in der Technik gewesen, eine Spitze zu gestalten, die ein überlegenes Flammenrückschlagwiderstandsvermögen ohne Verzicht auf Kapazität, Flach-Flammenvermögen 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 konusförmige Brennerspitze, die vier Öffnungen aufweist, die Sekundärluft in die Düse zuführen, um sie mit dem Kraftstoff zu vermischen. Es gibt hier weder einen Hinweis, daß ein konstanter Druck innerhalb der Spitze aufrechterhalten wird, noch weist die Quellenangabe auf einen Weg hin, einen Flammenrückschlag 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 Luftmischvorrichtung für einen Brenner, der ein konisches Kegelluftmisch- und -lenkteil umfaßt, das mit einer Vielzahl von Luftdurchgangsöffnungen 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 umleiten, 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 keinen Vorschlag für Mittel, um eine Kraftstoff- Luftdrucksteuerung 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 einer hohen Kapazität vorzusehen, die ein gesteigertes Flammenrückschlagwiderstandsvermögen und eine besonders gute Fähigkeit 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.
• 1 ist eine schematische Zeichnung einer Ausführungsform einer Brennerspitze in Übereinstimmung mit der Erfindung.
• 2 ist die Brennerspitzenausführungsform dargestellt in 1 in einem Längsschnitt zum leichteren Verstehen, und
• 3 ist eine ähnliche Schnittansicht einer alternativen Formgebung der Erfindung.
• Diese Erfindung umfaßt eine Brennerspitze, die in der Richtung des Kraftstofflußverlaufs konvergiert. Der konvergierende Abschnitt ist mit einer Vielzahl besonders bemessenen und positionierten Durchlässen oder Öffnungen versehen und weist auch eine quer angeordnete Leitfläche auf, die sich im abliegenden 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 Flammenrückschlagwiderstandsvermögen wird bedeutsam gesteigert. Dies ist auch wichtig in Übereinstimmung mit dieser Erfindung, den gesamten Flächenbereich der Spitze verglichen mit einer zylindrischen Spitze der gleichen Länge und Einlaßdurchmessers zu reduzieren. Eine querlaufende Platte oder Scheibe ist vorzugsweise an einem stromabwärtigen Teil der konvergierenden Spitze positioniert und hilft, eine im wesentlichen flache Flamme zu erzeugen und richtet die Flamme entlang der benachbarten Flächen einer Brennofenwand.
• Eine querlaufende Scheibe ist vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise mittels eines Bolzens an der Brennerspitze angebracht, 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 bestimmt, den Umfang der beigefügten Ansprüche zu begrenzen.
• 1 und 2 zeigen die konvergierende Wand der Spitze als einen Abschnitt eines Konus, um eine konusförmige Brennerspitze 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 Querschnittflußbereich des konischen Teils 12 und der gesamten Anzahl dieser Durchlaßbereiche, die stromabwärts von diesem Querschnittflußbereich angeordnet sind, aufrechterhalten wird.
• Eine ebene Platte oder Scheibe 16 ist an dem distalen Abschnitt 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 2 ist die konusförmige Brennerspitze von 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. Während des Betriebs in einem Brennofen fließt das Gemisch aus Luft und Kraftstoff axial entlang der Passage 13 zu dem konischen Teil 12. Durchlässe 14 können ungleichmäßige oder vorzugsweise gleichmäßige Bereiche bilden und sind so bemessen und positioniert, um ein im wesentlichen konstantes Verhältnis zu erhalten, das erzielt wird durch das Bestimmen des Querschnittflußbereichs bei irgendeinem gegebenen Querschnitt des konischen Teils 12, geteilt durch die Summe aller Durchlaßbereiche, die stromabwärts des gleichen Querschnitts angeordnet sind. Dies wurde nachgewiesen, um einen im wesentlichen konstanten Druck innerhalb des konischen Teils 12 über einen weiten 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 erzielt, die in dieser Beschreibung noch genauer erörtert werden. Vorzugsweise ist das Verhältnis des stromabwärtigen Durchlaßbereichs zu dem Querschnittsflußbereich ungefähr einheitlich bei meist jedem Querschnitt der Spitze.
• Die Scheibe 16 wirkt mit der Anordnung der Öffnungen 14 zusammen, 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, wobei herausgefunden wurde, daß dies in einigen Fällen die Flammenstabilität verbessert.
• 3 zeigt eine alternative Formgebung, in der die Spitze eine im allgemeinen kugelförmige konvergierende Wand 20 aufweist, 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 Flächenbereichs, der dem heißesten Abschnitt des Brennofens ausgesetzt ist.
• Es wurde herausgefunden, daß in Verbindung mit der Aufrechterhaltung eines im wesentlichen konstanten Drucks innerhalb der Spitze die konvergierende Form der Spitze den Spitzenflächenbereich 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 sogar 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 Merkmal der Erfindung.
• Zusätzlich wird eine exzellente Flammenrückschlagwiderstandsfähigkeit in Übereinstimmung mit dieser Erfindung vorgesehen, indem das Vorhandensein einer laminaren Strömung im Hinblick auf die innen gekrümmte Konfiguration der Brennerspitze verringert wird. Ein Brenner in Übereinstimmung mit dieser Erfindung 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 erhalten, 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 Brennerspitze 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 Kurvenformen des innenliegenden, konvergierenden, durchlöcherten Brennerspitzenendteils, besonders einschließlich konischer, kegelstumpfförmiger und halbkugelförmiger Formgebung. Die halbkugelförmige Konfiguration ist besonders vorteilhaft, dadurch, 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 Vorrichtungsformen beschrieben wurde, können verschiedene Äquivalente ersetzt werden, ohne daß von dem Sinn und Umfang der Erfindung, die in den angefügten Ansprüchen bestimmt ist, abgewichen wird. Zum Beispiel können Durchlässe 14 verschiedene Größen, Formen und Verteilungen aufweisen, solange ein im wesentlichen konstantes Verhältnis zwischen jedem Querschnittsflußbereich innerhalb des konvergierenden Teils 12 und der Summe der stromabwärtigen Durchlaßbereiche von diesem Querschnittsflußbereich aufrechterhalten wird. Die Verwendung von verschiedenen Kurvenformen des konvergierenden Abschnitts der Spitze oder zusätzliche Ausführungsformen und Modifikationen, die Äquivalente der Erfindung representieren, können für einen Fachmann angesichts dieser Lehre vorgesehen werden und sind innerhalb des Sinns und Umfangs der Erfindung wie in den Ansprüchen bestimmt enthalten.

Claims (15)

1. Brenner für die Verwendung in einem Ofen, wobei der Brenner ein verbessertes Widerstandsvermögen gegen Flammenrückschlag aufweist und eine Düse und einen stromaufwärtigen 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 Richtung 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, das die Querschnittsfläche von im wesentlichen irgendeinem Querschnitt des Spitzenabschnitts im wesentlichen gleich oder kleiner als die Summe der Flächen ist, deren Öffnungen an der Querschnittsfläche angeordnet sind und von denen, die stromabwärts von der Querschnittsfläche überall an dem Spitzenabschnitt angeordnet sind, wodurch ein im wesentlichen konstanter Druck überall in dem Inneren des Spitzenabschnitts aufrechterhalten wird und eine im wesentlichen laminare Luft- und Kraftstoffströmung 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 (l4) im Spitzenabschnitt eine im wesentlichen gleichmäßige Größe aufweisen.
5. Brenner nach Anspruch 1, bei dem die Spitze eine im wesentlichen kugelförmige Konfiguration aufweist.
6. Brenner nach Anspruch 1, bei dem die Spitze eine im wesentlichen konische Konfiguration aufweist.
7. Brenner für die Verwendung in einem Ofen, der ein verbessertes Widerstandsvermögen gegen Flammenrückschlag aufweist, wobei er einen stromaufwärtigen Endabschnitt zur Aufnahme von Luft- und Kraftstoff und einen stromabwärtigen Endabschnitt hat, zur Zuführung von Luft- und Kraftstoff in den Innenraum des Ofens, wobei der Brenner umfaßt: Mittel, die einen Einlaß bilden, der mit dem stromaufwärtigen Endabschnitt des Brenners für die Zuführung von Luft- und Kraftstoff verbunden ist, einen Körper, der stromabwärts von dem Einlaß positioniert ist und eine Körperpassage (l3) bestimmt, durch die Luft- und Kraftstoff strömen, 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 Körperpassage, durch die Luft- und Kraftstoff strömen, zusammenwirkt, wobei der Spitzenabschnitt eine im wesentlichen konische Form aufweist, bei der die Wand innen in stromabwärtiger Richtung entlang der Länge des Spitzenabschnitts 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 Brennofens erstreckt, wobei Öffnungen an der Wand dimensioniert und positioniert sind, so daß ein Verhältnis zwischen einer gegebenen Querschnittsfläche der Spitzenpassage und der Summe der Flächen der Öffnungen, die stromabwärts von der Querschnittsfläche angeordnet sind, im wesentlichen überall entlang der Länge des Spitzenabschnitts konstant bleiben, wodurch ein im wesentlichen konstanter Druck innerhalb des Spitzenabschnitts aufrechterhalten wird; und eine sich quer erstreckende Leitfläche mit dem Spitzenabschnitt verbunden und an dem stromabwärtigen Endabschnitt des Spitzenabschnitts positioniert ist und sich radial nach außen von dem Spitzenabschnitt bei einem Winkel 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 verbindet, 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 Querschnittfläche der Spitzenpassage und einer Summe der Flächen der Öffnungen, die stromabwärts an der Querschnittsfläche angebracht 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 Konfiguration aufweist.
12. Brenner nach Anspruch 7, bei dem die Spitze eine im wesentlichen konische Konfiguration 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 Gesamtfläche der Spitzenöffnungen größer als die Querschnittsfläche der Körperpassage ist.