DE19733769C2

DE19733769C2 - Brenngas-Einleitungsvorrichtung für einen Gas-Vormischbrenner

Info

Publication number: DE19733769C2
Application number: DE19733769A
Authority: DE
Inventors: Johann Moses
Original assignee: Karl Dungs GmbH and Co KG
Current assignee: Karl Dungs GmbH and Co KG
Priority date: 1997-08-05
Filing date: 1997-08-05
Publication date: 2003-05-22
Anticipated expiration: 2017-08-06
Also published as: EP0896191A3; ATE199180T1; DE19733769A1; DE59800469D1; EP0896191A2; EP0896191B1; ES2157103T3; PT896191E

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einleiten von Brenngas in einen Luftstrom, insbesondere für einen Gas- Vormischbrenner, mit einer Einströmkammer für die Luft und mit einer in die Einströmkammer führenden Einström öffnung für das Brenngas.

Derartige Einleitungsvorrichtungen sind für Gas-Brenner hinreichend bekannt.

Beim sogenannten "atmosphärischen Brenner" reißt die durch eine Einströmkammer strömende Luft nach dem Strahlpumpenprinzip eine entsprechende Menge Brenngas mit. Entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit der Luft bzw. des in der Einströmkammer herrschenden Luftdruckes wird mehr oder weniger Brenngas zugemessen, wobei aller dings erhebliche Ungenauigkeiten auftreten können.

Weiterhin sind Einleitungsvorrichtungen bekannt, bei de nen sich die Brenngas-Zumessung nach dem Druckverlust an einer Drosselstelle richtet. Beim sogenannten "mechani schen Gas-Luftverbund" werden, um die Leistung zu verän dern, die Strömungsquerschnitte von Luft und Brenngas gleichermaßen verändert. Dies erfordert allerdings einen großen technischen Aufwand. Um die Leistung zu verän dern, wird beim sogenannten "pneumatischen Verbund" der Druck des einen Fluides anhand des Druckverlustes an der Drosselstelle verändert, um das gleiche Mischungsverhält nis zu erreichen. Auch hier wird ein hoher technischer Auf wand benötigt, und der nutzbare Leistungsbereich bleibt verhältnismäßig klein. Bei der sogenannten "Nulldruckrege lung" wird der Druckverlust der Drosselstelle in dem einen Fluidstrom in etwa gleich gewählt wie der Druckverlust der Drosselstelle in dem anderen Fluidstrom, wodurch das Mi schungsverhältnis unabhängig vom Durchsatz wird. Auch hier ist der nutzbare Leistungsbereich klein, da eine genaue Druckregelung bei kleinen Druckdifferenzen sehr schwierig ist.

Aus der Veröffentlichung "Flame Special ICH Edition" der Firma Honeywell, Nr. 2, 1997 ist weiterhin eine Einlei tungsvorrichtung bekannt, bei der das Brenngas in ein Ven turirohr eingeleitet wird, in welchem ein negativer Luft druck vorherrscht. Das Einleiten des Brenngases in den Luftstrom erfolgt dabei etwa im Bereich des engsten Quer schnitts des Venturirohrs über eine koaxial zur Rohrachse des Venturirohrs angeordnete ringförmige Zuströmöffnung. Das aus dieser ringförmigen Zuströmöffnung mantelförmig um den Luftstrom herum austretende Brenngas strömt im wesentlichen ohne Durchmischung mit dem Luftstrom an der Diffusorwand des Venturirohrs entlang. Die eigentliche Durchmischung zwischen Brenngas und Luft erfolgt erst in einem stromabwärts der Zuströmöffnung bzw. des Venturi rohrs angeordneten Gebläse. Die Brenngas-Zumessung richtet sich nach dem Unterdruck der Luft im Venturirohr, allerdings ist der Unterdruck im Venturirohr noch zu gering, um große Leistungsbereiche abdecken zu können.

Aus der DE 33 45 611 ist ein Brenner zur Erzeugung von Inertgas bekannt, der eine Drallerzeugungseinrichtung aufweist. Die Drallerzeugungseinrichtung ist durch Leitschaufeln ge bildet, die dem Brennstoffluftstrahl eines Brenners Luft unter Drall zuführen.

Außerdem ist aus der SU 343 111 ein Brenner bekannt, bei dem die Luft einem Brennstoffstrahl unter Drall zugeführt wird. Dazu weist der Brenner eine Luftkammer mit tangentialer Luftzuführung auf. Ein Brennstoffrohr durchsetzt die Luftkam mer.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Auf gabe zugrunde, eine Einleitungsvorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die Zumessungs genauigkeit des einzuleitenden Brenngases erhöht und der nutzbare Leistungsbereich vergrößert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zusätzlich zu einer ersten Drallerzeugungseinrichtung eine zweite Drallerzeugungseinrichtung vorgesehen ist, die dem durch die Einströmkammer strömenden Brenngas oder einem Gemisch aus Brenngas und Luft einen Drall aufprägt.

Durch den Drall des rotierenden Luftstroms wird an der im Zentrum des Dralls angeordneten Einströmöffnung für das Brenngas ein hoher Unterdruck erzeugt, der die Druck regelung des einzuleitenden Brenngases entscheidend ver einfacht und somit Zumessungsgenauigkeit erhöht. Da durch kann schon bei einem geringen Druckabfall der Luft ein präzises, einstellbares Mischungsverhältnis mit dem Brenngas in einem großen Leistungsbereich erreicht wer den. Die Erzeugung des Dralls in der Luft hat außerdem den Vorteil, daß die Strömung bei Richtungsänderungen nicht so leicht Ablösungserscheinungen zeigt und dadurch Bauraum eingespart werden kann.

Vorzugsweise weist die Drallerzeugungseinrichtung min destens eine, insbesondere mehrere um ihren Umfang gleichmäßig verteilte drallerzeugende Leitschaufeln auf. Über verstellbare Leitschaufeln läßt sich darüber hinaus die Zumessung des Brenngases bzw. das Mischungsverhältnis zwischen Luft und Brenngas besonders einfach beeinflus sen.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die Drallerzeugungseinrichtung als Zyklon ausgebildet. Es erweist sich als vorteilhaft, eine größere Menge an Brenngas im Zentrum des Zyklons zuströmen zu lassen, um Strö mungsverluste zu reduzieren.

Die zweite Drallerzeugungseinrichtung prägt dem durch die Einströmöffnung strömenden Brenngas bzw. dem durch die Einströmöffnung strömenden Gemisch aus Luft und Brenngas einen Drall auf, wodurch bereits stromaufwärts der Einströmöffnung dem Brenngas bzw. dem Gemisch ein Drall aufgeprägt ist, der dann stromabwärts den der Luft aufgeprägten Drall noch ver stärkt. Vorzugsweise ist diese weitere Drallerzeugungsein richtung stromaufwärts der Einströmöffnung zur Erzeugung eines Dralls lediglich in der Luft des durch die Einströmöff nung strömenden Gemisches angeordnet.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn die Einströmöff nung als Venturidüse ausgebildet ist. Um eine Ablösung der hindurchströmenden Strömung von der Diffusorwand der Venturidüse möglichst lange hinauszögern oder gar voll ständig zu verhindern, kann der hindurchströmenden Strö mung ein Drall aufgeprägt sein. Wenn Brenngas und Luft gemeinsam durch die Venturidüse strömen, führt dies be reits stromaufwärts der Einströmkammer zu einer verbesser ten Durchmischung.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn stromabwärts der Einströmkammer ein Radialgebläse angeordnet ist. Der Drall des aus der Einströmkammer ausströmenden Gemi sches kann zur Anströmung des Radialgebläses vorteilhaft genutzt werden. Bei Gegendrallanströmung kann eine be sonders hohe Gebläseleistung erreicht werden, während bei Gleichdrallanströmung ein besonders verlustarmer Eintritt des Gemisches ins Radialgebläse möglich ist.

Um den Unterdruck und auch die Vermischung von Brenngas und Luft noch weiter zu steigern, können mehrere solcher Einleilungsvorrichtungen, wie sie oben beschrieben sind, kaskadiert werden. Soll z. B. eine relativ kleine Menge an Brenngas zugemischt werden, so kann es vorteilhaft sein, nochmals eine Venturidüse oder einen Zyklon mit der Luft vorzuschalten (Kaskadierung).

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Be schreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorste hend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die ge zeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Aus führungsbeispiels einer Einleitungsvor richtung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Einleitungsvorrichtung der Fig. 1, dargestellt in drei unterschiedlichen Schnittseg menten entsprechend A, B, C in Fig. 1;

Fig. 3 eine der Fig. 1 entsprechende schematische Dar stellung eines Ausführungsbeispiels einer erfin dungsgemäßen Einleitungsvorrichtung; und

Fig. 4 einen Querschnitt durch die Einleitungsvorrichtung der Fig. 3, dargestellt in drei unterschiedlichen Schnittseg menten entsprechend A, B, C in Fig. 3.

Die Figuren der Zeichnung zeigen den erfindungsgemä ßen Gegenstand teilweise stark schematisiert und sind nicht notwendigerweise maßstäblich zu verstehen.

In Fig. 1 ist mit 10 eine Einleitungsvorrichtung für einen Gas-Vormischbrenner (nicht dargestellt) gezeigt, in der Luft 11 und Brenngas 12 miteinander vermischt werden und dann dem Gas-Vormischbrenner als Gemisch 13 zugeleitet werden. Dazu wird über ein Radialgebläse 14, das vom Mo tor 15 in Drehrichtung 16 angetrieben wird, die Luft 11 über eine Umfangsöffnung 17 in eine Einströmkammer 18 ange saugt. In der Einströmkammer 18 sind Leitschaufeln 19 (Fig. 2) angeordnet, die einen Zyklon bilden und die der durch die Einströmkammer 18 strömenden Luft 11 einen Drall 20 aufprägen, wie auch durch die Strömungspfeile 21 in Fig. 2 angedeutet ist.

Im Zentrum des Dralls 20, d. h. im Bereich seiner Dreh achse 22, ist eine düsenförmige Einströmöffnung 23 vorge sehen, die die Zuströmöffnung für das Brenngas 12 in die Einströmkammer 18 bildet. Das Brenngas 12 wird in Rich tung der Drehachse 22 aufgrund des in der Einströmkammer 18 herrschenden Unterdrucks angesaugt, der durch die in Richtung auf das Radialgebläse 14 strömende Luft 11 er zeugt und durch den um die Einströmöffnung 23 herum er zeugten Drall 20 in der Luft 11 noch verstärkt wird. Durch den Drall 20 wird an der Einströmöffnung 23 ein sehr hoher Unterdruck erzeugt, der die Druckregelung des einzuleiten den Brenngases 12 entscheidend vereinfacht und somit die Zumessungsgenauigkeit erhöht.

Wie das Schnittsegment C in Fig. 2 zeigt, strömt das Ge misch 25 aus Luft 11 und Brenngas 12 im Radialgebläse 14 radial nach außen in einen äußeren Strömungskanal 24 ein und dann über eine Austrittsöffnung 26 in Richtung auf den Gas-Vormischbrenner aus.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Drall 20 und die Drehrichtung 16 des Radialgebläses 14 gleich gerichtet, wodurch ein besonders verlustarmer Eintritt des Gemisches in das Radialgebläse 14 möglich ist, wenn das Gebläserad 27 des Radialgebläses 14 mit entsprechenden Leitschaufeln 28 ausgestattet ist.

Bei der in Fig. 3 dargestellten erfindungs gemäßen Einleitungsvorrichtung 10' ist die Ein strömöffnung 23' als Venturidüse 29 ausgebildet, durch die das Brenngas 12 und weitere Luft 11' in Richtung der Drehachse 22 gemeinsam in die Einströmkammer 18 eingeleitet werden. Über das Radialgebläse 14 wird die Luft 11' über einen Luftkanal 31 und in die Venturidüse 19 ange saugt, wobei die Luft 11' das Brenngas 12 über eine im Be reich der Drehachse 22 angeordnete düsenförmige Zuström öffnung 32 mitreißt. Bereits im Luftkanal 31 wird der Luft 11' stromaufwärts der Einströmöffnung 23' über Leitbleche 33 (Fig. 4) ein Drall 34 aufgeprägt, der sich als Drall 34' in der Venturidüse 19 fortsetzt und den Drall 20 der Luft 11 noch verstärkt, wie durch den Pfeil 35 angedeutet ist. Insge samt kann mit dieser Einleitungsvorrichtung 10' ein noch besserer Unterdruck als mit der Einleitungsvorrichtung 10 erzeugt werden.

Das Mischungsverhältnis von Luft 11 und Brenngas 12 berechnet sich - idealisiert - wie folgt, wenn der Volumen strom V durch eine Düse:

V = A.α.ϕ.(2Δp/ρ]^½

zur Vereinfachung mit α = 1 und ϕ = 1 angenommen wird. Für den Volumenstrom V₁ der Luft 12 folgt:

V₁ = A₁.[2.(p₁ -p_G)/ρ1]^½,

mit A₁: Düsenquerschnitt für die Luft 11, der näherungs weise durch den Querschnitt in der Einströmkammer 18 und, falls vorhanden, durch den Austrittsquerschnitt der Venturidüse 19, abzüglich des Düsenquerschnitts für das Brenngas 12, multipliziert mit dem Flächenverhältnis der Venturidüse 19 gegeben ist,
mit ρ1: Dichte der Luft,
mit p₁: Eintrittsdruck der Luft 11, und
mit p_G: gemeinsamer Austrittsdruck von Luft 11 und Brenn gas 12 vor dem Radialgebläse 14.

Der Volumenstrom V₂ des Brenngases 12 ist gegeben durch:

V₂ = A₂.[2.(p₂ - p_G + (v - 1).(p₁ - p_G)/ρ2]^½

mit A₂: Düsenquerschnitt für das Brenngas 12,
mit p₂: Eintrittsdruck Brenngas, normalerweise gleich p₁, und
mit v: Gerätekonstante, z. B. 4, d. h., ein bestimmtes Druck gefälle am Düsenquerschnitt für die Luft 11 erzeugt das 4- fache Druckgefälle am Düsenquerschnitt für das Brenngas 12.

Durch Verringern des Druckes p₂ wird ein geringerer An teil des Brenngases 12 zugemischt. Dadurch kann eine lei stungsabhängige Veränderung des Mischungsverhältnisses erreicht werden. Bei konstanter Druckveränderung, z. B. durch andere Einstellung am Druckregler für das Brenngas 12, wird das Mischungsverhältnis bei kleinen Durchsatzlei stungen verstärkt verändert, bei Drosselung wird das Mi schungsverhältnis verstärkt bei hohen Durchsatzleistungen verändert.

Claims

1. Vorrichtung (10; 10') zum Einleiten von Brenngas (12) in einen Luftstrom, insbesondere für einen Gas-Vor mischbrenner, mit einer Einströmkammer (18) für die Luft (11), mit einer in die Einströmkammer (18) führen den Einströmöffnung (23; 23') für das Brenngas (12) und mit einer ersten Drallerzeugungseinrichtung, mittels der der durch die Einströmkammer (18) strömenden Luft (11) ein Drall (20) aufgeprägt wird, wobei die Einströmöffnung (23; 23') in der Drehachse (22) des Dralls (20) ange ordnet ist, gekennzeichnet durch eine zweite Drallerzeugungsein richtung, die dem durch die Einströmöffnung (23) strö menden Brenngas (12) bzw. einem durch die Einströmöff nung (23') strömenden Gemisch (30) aus Luft (11') und Brenngas (12) bereits einen Drall (34, 34') aufprägt.

2. Einleitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die zweite Drallerzeugungseinrichtung stromaufwärts der Einströmöffnung (23') zur Erzeugung eines Dralls (34) in der Luft (11') des durch die Ein strömöffnung (23') strömenden Gemisches (30) angeordnet ist.

3. Einleitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einströmöffnung (23') als Ven turidüse (29) ausgebildet ist.

4. Einleitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Drall erzeugungseinrichtung mindestens eine drallerzeugende Leitschaufel (19) aufweist.

5. Einleitungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die mindestens eine Leitschaufel (19) verstellbar ist.

6. Einleitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Drall erzeugungseinrichtung als Zyklon ausgebildet ist.

7. Einleitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein stromabwärts der Einströmkammer (18) angeordnetes Radialgebläse (14).

8. Einleitungsvorrichtung, gekennzeichnet dadurch eine Kaskadierung mehrerer Einleitungsvorrichtungen (10; 10') nach einem der vorhergehenden Ansprüche.