DE19814768A1 - Blaubrenner - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Blaubrenner für die Bestückung von Heizkesseln, bestehend aus einer gebläsebestückten Verbrennungsluftzuführung (1), an deren Ende eine mit Luftdurchströmöffnungen (2) versehene Verbrennungsluftblende (5) angeordnet ist, an die sich ein mit mindestens einer Abgasrückführöffnung (6) in Höhe des Anordnungsbereiches der Brennstoffdüse (3) eines Düsenstockes (4) versehenes, brennkammerseitig offenes Flammrohr (7) anschließt, wobei die von einem Gebläse (G) und den Luftdurchströmöffnungen (2) repräsentierte Verbrennungsluftzuführung (1) und die Bemessung der Abgasrückführöffnungen (6) derart ausgelegt sind, daß das Flammrohr über den wesentlichen Teil seiner Länge (L) als Vormisch- und Vorverdampfungsrohr wirkt. Nach der Erfindung sind am düsenfernen, gegen die Heizkesselbrennkammer (B) axial offenen Endbereich (7') des Flammrohres (7) diesen Endbereich im wesentlichen offen lassende Mittel (8) zur Flammstabilisierung angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen sogenannten Blaubrenner für die Bestückung von Heizkesseln.

Blaubrenner gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 sind hin­ länglich bekannt und in Benutzung, so daß es diesbezüglich an sich keines besonderen druckschriftlichen Nachweises bedarf. Bei solchen Brennern, zu denen sogenannte Flammrohre gehören, wird die Flamme im Flammrohr stabilisiert bzw. brennt in die­ sem, wobei die Zündgeschwindigkeit im Gemisch (Öl, Luft, Abgas) gleich der entgegengesetzt zum Ende des Flammrohres hin gerich­ teten Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Flammrohres ist. Hierzu wird verwiesen bspw. auf DE-Z Wärmetechnik, 6,1991, Seite 350.

Zur Abstimmung der beiden genannten Geschwindigkeiten können örtliche Zündquellen (wie glühendes Flammrohr zum Verändern der Zündgeschwindigkeit) und/oder lokale Rückströmzonen (Verände­ rung der strömungsgeschwindigkeit) dienen. Diese Rückströmzonen sind jeweils von der Art der Verbrennungslufteinbringung durch die Luftblende und die der Öffnungen für das rezirkulierende von außerhalb des Flammrohres rückgeführte Abgas bestimmt.

Die Distanz von der Brennerdüse bis zur im Flammrohr stehenden Flamme dient dabei als Mischzone für die beteiligten Be­ triebsmittelkomponenten Brennstoff, Luft und rückgeführtes Ab­ gas und als Verdampfungszone für den eingedüsten Brennstoff. Rückströmendes Abgas unmittelbar aus dem Flammbereich ergibt sich dabei zum Teil in der Mehrzahl der Fälle auch im Flammrohr selbst.

Durch die Anwendung dieser Mechanismen lassen sich stabile Flammen mit relativ guten Schadstoffwerten (NOx ca. 85-100 mg/kWh) erreichen. Die Schalldruckpegel solcher Brenner liegen oberhalb von ca. 103 db(A).

Häufig haben solche Brenner innerhalb des sogenannten Flamm­ rohres, den Bereich der Düse und unmittelbar dahinter umfassend, eine zusätzliche Hülse, die dazu dient, daß zusätz­ lich zur Abgasrückführung aus der Heizkesselbrennkammer eine Abgasrückführung gezielt auch innerhalb des Flammrohres erfolgt (siehe bspw. D 42 09 221 A1).

Außer relativ aufwendig bauenden Blaubrennern, bei denen die Flammstabilisierung durch Erzeugung einer Drallströmung erfolgt (siehe bspw. EP 0 436 113 und 0 617 231) und die ebenfalls Verdampfungsbrenner darstellen, ist nach der DE-Z Wärmetechnik- Versorgungstechnik, Seiten 26-32, 3,1998 ebenfalls ein Blau­ brenner als sogenannter Vorverdampfungsbrenner bekannt, mit dem vergleichbar gute Schadstoff- und Schalldruckwerte erreichbar sind. Dies kann aber offenbar nur mittels eines topfartigen, sogenannten Umkehreinsatzes erzielt werden, der stromab vor der Ausmündung des "Flammrohres", das in diesem Falle an sich kein Flammrohr mehr ist, gewissermaßen eine "Mini-Brennkammer" in der eigentlichen damit bestückten Heizkesselbrennkammer bildet, in bzw. mit welcher "Minibrennkammer" die Flamme stabilisiert wird. Das "Flammrohr" und der Umkehreinsatz bilden dabei gewissermaßen eine Strömungsschikane, aus der die Heizgase nur durch eine Zweifachumlenkung zum Abzug gelangen können. Würde bei diesem Vorverdampfungsbrenner kein Umkehreinsatz vorgesetzt oder würde der Flammrohrmündung eine Brennkammerrückwand nicht relativ nahe gegenüberstehen, wäre die Flamme weder im Flamm­ rohr noch unmittelbar in dessen Mündungsbereich zu halten bzw. zu stabilisieren.

Ausgehend vom bekannten Stand der Technik, der bzgl. soge­ nannter Blaubrenner im Prinzip, wie vorerläutert, drei Varian­ ten kennt, zusammenfassend nämlich solche, bei denen die Flamme im glühenden Flammrohr brennt bzw. in diesem stabilisiert ist, ferner solche, mit innerhalb des Brenners Drallströmung bewir­ kenden Ausbildungen, wobei die Drallströmung am Ende des Rohres praktisch auseinanderzentrifugiert und dadurch die Flamme sta­ bilisiert wird und schließlich die neueste Version, bei der die Stabilisierung (dies gegf. in Kombination mit einer Drall­ strömung) durch einen Umkehreinsatz bzw. durch eine nahestehend angeordnete Brennkammerwand erfolgt, liegt der Erfindung, aus­ gehend von einem Brenner gemäß Oberbegriff des Anspruches 1, die Aufgabe zugrunde, bei einfacher Bauweise und bei "kaltem" bzw. nicht glühendem "Flammrohr" den Brenner mit einfachen Mit­ teln so zu gestalten, daß die Flamme bei weiter verbesserten Emissions- und Schalldruckwerten stabilisiert am offenen Ende des Flammrohres steht und zwar insbesondere auch dann, wenn der Nahbereich stromab der Flamme von irgendwelchen quer zur Strömungsrichtung stehenden Flächen oder Raumumschließungen frei ist.

Diese Aufgabe ist mit einem Blaubrenner der eingangs genannten bzw. der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angeführten Merkmale gelöst.

Unter "den Querschnitt offen lassenden Mitteln" sind dabei solche noch zu erläuternde, gegenständlich-konstruktiver Art zu verstehen, d. h. also keine Mittel, die rein strömungstech­ nisch für eine Stabilisierung der Flamme sorgen und in Bezug auf "offen lassend" auch nicht solche, die stromab im Nah­ bereich der Mündung des Flammrohres als stabilisierend wirkende Stauflächen für die aus dem Flammrohr austretende Strömung wirken.

Bis zur unmittelbar am Ende des "Flammrohres" stabilisierten, blau brennenden Flamme arbeitet ein solcher erfindungsgemäß ausgebildeter Brenner nach wie vor auf die Weise, daß die Verbrennungsluft mit einer Geschwindigkeit in das "Flammrohr", derart eingeführt wird, daß im wesentlichen dessen gesamte Län­ ge als Vormisch- und Vorverdampfungsstrecke für Luft, Brenn­ stoff und per Rückströmöffnungsbemessung dosiert rückgeführtes Abgas genutzt wird.

Durch die gezielte Abstimmung von axialem Verbrennungsluftim­ puls mit Einbringung des Brennstoffs unter nachfolgender Vormi­ schung mit Abgas und nachfolgender Verdampfung in hier soge­ nannten lokal unterschiedlichen Zonen erfolgt die Sta­ bilisierung der Flamme erst stromab im Bereich der brennkam­ merseitigen Ausmündung des Flammrohres, das also kein Flammrohr im Sinne des Wortes mehr darstellt, sondern als relativ kalt bleibendes, d. h., nicht mehr glühendes Vormisch- und Ver­ dampfungsrohr für die beteiligten Betriebskomponenten wirkt, wobei die erforderliche Verdampfungsenergie für die verdüsten Brennstoffpartikel durch das rückgeführte Abgas eingetragen wird.

Die Einbringung der Verbrennungsluft ist, wie vorerwähnt, mit den Öffnungen am Flammrohr für die äußere Abgasrezirkulation aus der Heizkesselbrennkammer so abgestimmt, daß ein blockar­ tiges Strömungsprofil entsteht, welches keine oder nur sehr kleine Rückströmzonen innerhalb des "Flammrohres" aufweist, was noch näher erläutert wird.

Durch die an sich bekannte Aufteilung des Strömungsvorganges bzw. des Strömungsweges bis zum Flammbereich in die oben erwähnten, unterschiedlichen Zonen (Vormischung und Abgasansau­ gung, Vorverdampfung, Flammenstabilisierung) auf einer Weglänge von bspw. 150-450 mm (d. h. 1,2-6,5 × Flammrohrdurchmesser) und der dabei entscheidend erst nachfolgenden Stabilisierung der Flamme am Ende des "Flammrohres" können wesentlich höhere Abgasmengen der Verbrennung zugeführt werden.

Vorteilhaft erweist sich hier daß die entsprechende Energie­ dichte der Flamme durch deren Verlagerung an die Flammrohr­ ausmündung abnimmt und somit neben den höheren, zugeführten Abgasmengen zusätzlich eine relativ "kältere" Flamme stabili­ siert werden kann. Außerdem wird der Schalldruckpegel durch die Verlagerung der Flamme an die Flammrohrmündung und die homogene Aufbereitung des Gemisches wesentlich reduziert(ca. ≦ 100 dB(A)), weil der Resonanzraum "Flammrohr" durch die an das Ende des "Flammrohres" verlegte Strömungsveränderung abgekoppelt wird.

Was die Mittel zur Flammstabilisierung betrifft, so wird dafür eine Querschnittserweiterung des Ausmündungsbereiches des Flammrohres bevorzugt. Es ist aber auch möglich, als Flamm­ halter in diesem Bereich einen Draht, Stift oder ein sehr weitmaschiges Gitter quer zur Strömung anzuordnen, also Elemente, die dem Ausmündungsquerschnitt nur minimal in An­ spruch nehmen. d. h., wichtig ist dabei, daß der Ausmündungs­ querschnitt des "Flammrohres" im wesentlichen offen bleibt.

Um in der Anlaufphase des Brenners aus bekannten Gründen eine Abgasrückführung aus der Heizkesselbrennkammer zu unterbinden bzw. zu reduzieren und um mechanische Abblendelemente zu ver­ meiden, wird die Abgasrückführung gemäß vorerwähnter EP 0617 231 bevorzugt mittels eines Sperrvorhanges aus Luft unterbun­ den, was somit keiner näheren Erläuterung bedarf.

Durch die an Blaubrennern erfindungsgemäß an sich einfache Verlegungsmaßnahme der Flammstabilisierung unmittelbar in den brennkammerseitigen Öffnungsbereich des "Flammrohres", und zwar mit anderen Mitteln als denen nach der vorerwähnten DE-Z Wär­ metechnik-Versorgungstechnik, 3, 1998, ergibt sich ein zudem mit weiter verbesserten (bedingt offenbar durch die verstärkte Abgasrückführung) Emissionswerten arbeitender Brenner, dessen optimaler Blaubrand völlig unabhänhig von irgendwelchen nach­ zuordnenden Elementen, wie nahestehende Stauflächen (bspw. Brennkammerrückwand) oder Umkehreinsätzen gewährleistet ist, der also insbesondere auch ohne Anpassungsnotwendigkeiten in Heizkesselbrennkammern zum Einsatz kommen kann, aus denen die Heizgase nach hinten offen in Folgezüge abströmen.

Der erfindungsgemäße Blaubrenner wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher er­ läutert.

Es zeigt schematisch

Fig. 1 einen Längschnitt durch den Brenner in bevor­ zugter Ausführungsform;

Fig. 2 einen entsprechenden Schnitt durch den Brenner in anderer Ausführungsform;

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Verbrennungsluftzu­ fuhrblende

Fig. 4 eine Ansicht stromauf gegen die Flammrohröffnung,

Fig. 5 stark vergrößert einen Axialschnitt durch den Endbereich des Flammrohres mit einem stabförmigen Element zur Flammstabilisierung und

Fig. 6 im Schnitt eine besondere Ausführungsform des Flammrohrendbereiches.

Der Blaubrenner besteht nach wie vor aus einer gebläse­ bestückten Verbrennungsluftzuführung 1, an deren Ende eine mit Luftdurchströmöffnungen 2 versehene Verbrennungsluftblende 5 angeordnet ist, an die sich ein mit mindestens einer Abgas­ rückführöffnung 6 in Höhe des Anordnungsbereiches der Brenn­ stoffdüse 3 eines Düsenstockes 4 versehenes, brennkammerseitig offenes Flammrohr 7 anschließt, wobei die von einem Gebläse G und den Luftdurchströmöffnungen 2 repräsentierte Verbrennungs­ luftzuführung 1 und die Bemessung der Abgasrückführöffnungen 6 derart ausgelegt sind, daß das Flammrohr 7 über den we­ sentlichen Teil seiner Länge L als Vormisch- und Vor­ verdampfungsrohr wirkt. Nur der Vollständigkeit halber ist in Fig. 1 schematisch das zum Brenner gehörende Gebläse G mit angedeutet.

Für einen solchen Blaubrenner ist nun wesentlich, daß am düsen­ fernen, gegen die Heizkesselbrennkammer B axial offenen Endbe­ reich 7' des Flammrohres 7 diesen Endbereich 7' im wesentlichen offen lassende Mittel 8 zur Flammstabilisierung angeordnet sind.

Die Misch- bzw. Vormischzone ist in Fig. 2 mit M, die Ver­ dampfungszone mit V und der Flammbildungsbereich mit F be­ zeichnet. Da die blaue Flamme, wie kreuzschraffiert als Ge­ schwindigkeitsprofil in Fig. 1 angedeutet gewissermaßen als fla­ ches Polster im offenen Ende des Flammrohres 7 brennt, gibt es im Flammrohr 7 keine Rückströmung von Abgasen, sondern nur von außerhalb des Flammrohres aus der Heizkesselbrennkammer B, wie mit Pfeilen angedeutet, wobei die rückströmenden Abgase auf­ grund der Sogwirkung im Flammrohr 7 in dieses durch die Abgasrückführöffnungen 6 in das Flammrohr 7 gelangen, sich dort mit der einströmenden Verbrennungsluft mischen und mit dem aus­ gedüsten Brennstoff in die Verdampfungszone V gelangen, wo die verdüsten Brennstofftröpfchen aufgrund der via Abgas einge­ tragenen Wärme weitgehend verdampfen und dann als Gemisch aus Luft, rückgeführtem Abgas und weitgehend vergastem Brennstoff in den Flammbereich F am Ende des Flammrohres 7 gelangen.

Um den Wärmeinhalt der aus der Brennkammer B rückgeführten Ab­ gase weitgehend für die Verdampfung des Brennstoffes nutzen zu können, sind vorteilhaft die Luftzuströmöffnungen 2, wie in Fig. 3 angedeutet, als Einzelöffnungen in möglichst dichter Zuordnung gleichmäßig auf einem Teilkreis angeordnet, was praktisch zu einem Luftschlauch führt, der zur Folge hat, daß im Ringbereich zwischen Düse und Luftzuströmöffnungen 2 nur eine sehr schwache bzw. sehr kleine Unterdruckzone entsteht. Es ist aber auch möglich, wie ebenfalls gestrichelt angedeutet, die Luftzuströmöffnungen 2 in Form eines Ringspaltes 9 auszubilden.

Was nun die Mittel 8 zur Flammstabilisierung betrifft, die ja entscheidend für das stabile Blaubrennen der Flamme am Ende des Flammrohres 7 sind, so wird dafür die Ausführungsform gemäß Fig. 1 bevorzugt, gemäß der diese Mittel 8, wie dargestellt, in Form einer Querschnittserweiterung 7'' des brennkammerseitigen Endbereiches des Flammrohres 7 ausgebildet sind. Eine derartige Querschnittserweiterung 7'', für deren Bemessung einige Milli­ meter Durchmesserunterschied zum Flammrohrdurchmesser genügen, führt zu einer Geschwindigkeitsreduzierung des abströmenden Ge­ misches in diesem Bereich und damit zur Stabilisierung der Flamme, und zwar völlig unhabhängig von der sich an diesen Bereich anschließenden Umgebungsgeometrie.

Gleiche Stabilisierung der Flamme ist auch erreichbar, wenn man die Mittel 8 zur Stabilisierung, wie in Fig. 4 dargestellt, bspw. in Form eines weitmaschigen Gitters 8' aus geeignetem Drahtmaterial ausbildet oder wie stark vergrößert in Fig. 5 verdeutlicht, in Form eines stabförmigen, den Öffnungsquer­ schnitt des Flammrohres 7 durchgreifenden Elementes 8''. Eine gegf. kombinierte Verwendung solcher Elemente 8', 8" mit einer Querschnittserweiterung 7'' kann im übrigen ebenfalls in Betracht gezogen werden.

Eine alleinige Verwendung eines Gitters 8' oder eines Elementes 8" führt zwar zu keiner Geschwindigkeitsreduzierung wie bei der Querschnittserweiterung 7", hinter diesen Elementen 8' oder 8'' entstehen aber gewissermaßen "Todwasserzwickel" bzw. Wirbel in der Strömung, die, wie sich gezeigt hat, ebenfalls stabili­ sierend für die Flamme wirken. Bevorzugt wird aber, wie gesagt, die Querschnittserweiterung 7'' des Endbereiches des Flammrohres 7, zumal sich diese mit geringerem Herstellungs- und Mate­ rialaufwand verwirklichen läßt.

Mit Rücksicht auf Brennstoff, Brennstoffdüse, Brennstoff­ förderdruck und sonstige variable Druckverhältnisse haben sich Abmessungen des Flammrohres 7 in der Größenordnung vom 1,2 bis 6,5 fachem des Flammrohrdurchmessers als zweckmäßig erwiesen, wobei die Länge L' einer Querschnittserweiterung 7'' nur einen kleinen Bruchteil (< 1/3) der Länge L des Flammrohres 7 beträgt. Im übrigen bietet eine solche Querschnittserweiterung vorteil­ hafte Weiterbildungsmöglichkeiten dahingehend, daß der Endrand des Flammrohres 7 mit dem benachbarten Rand der Querschnitts­ erweiterung einen Ringspalt 10 begrenzt (siehe Fig. 1), durch den zusätzlich stabilisierend Abgase dem Flammbereich zugeführt werden können, oder dahingehend, daß bei Verbindung des Flammrohres 7 mit der Querschnittserweiterung 7'' durch einen Ringsteg 11 in diesem Abgasrückführöffnungen 12 (siehe Fig. 6) angeordnet sind.

Bekannte Methoden für die Bewältigung der bekannten Anfahr­ problematik solcher abgasrückführender Brenner durch Drosselung bzw. Unterbindung der Abgaszufuhr in das Flammrohr 7 während der Anlaufphase kennen beim vorliegenden Blaubrenner ebenfalls ohne weiteres angewandt werden, wofür insbesondere eine pneu­ matische Abblendung der Abgaszuströmöffnungen 6 per Verbren­ nungsluftzufuhr durch Sperrluftzufuhröffnungen 13 an der Ver­ brennungsluftblende 5 in Frage kommt.

Claims (6)

1. Blaubrenner für die Bestückung von Heizkesseln, bestehend aus einer gebläsebestückten Verbrennungsluftzu­ führung (1), an deren Ende eine mit Luftdurchström­ öffnungen (2) versehene, Verbrennungsluftblende (5) ange­ ordnet ist, an die sich ein mit mindestens einer Abgas­ rückführöffnung (6) in Höhe des Anordnungsbereiches der Brennstoffdüse (3) eines Düsenstockes (4) versehenes, brennkammerseitig offenes Flammrohr (7) anschließt, wobei die von einem Gebläse (G) und den Luftdurchströmöffnungen (2) repräsentierte Verbrennungsluftzuführung (1) und die Bemessung der Abgasrückführöffnungen (6) derart ausgelegt sind, daß das Flammrohr über den wesentlichen Teil seiner Länge (L) als Vormisch- und Vorverdampfungsrohr wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß am düsenfernen, gegen die Heizkesselbrennkammer (B) axial offenen Endbereich (7') des Flammrohres (7) diesen Endbereich (7') im wesentlichen offen lassende Mittel (8) zur Flammstabilisierung angeordnet sind.

2. Blaubrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (8) zur Flammstabilisierung in Form einer Querschnittserweiterung (7'') des brennkammerseitigen End­ bereiches des Flammrohres (7) ausgebildet sind.

3. Blaubrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Endrand des Flammrohres (7) mit dem benachbarten Rand der Querschnittserweiterung (7'') einen Ringspalt (10) begrenzt.

4. Blaubrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Endrand des Flammrohres (7) mit dem benachbarten Rand der Querschnittserweiterung (7'') durch einen Ringsteg (11) verbunden ist, in dem Abgasrückführöffnungen (12) angeordnet sind.

5. Blaubrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (8) zur Flammstabilisierung als im End­ bereich des Flammrohres (7) quer zur Flammrohrachse (A) mindestens einragender Stift, Steg, Draht, als weitma­ schiges Gitter o. dgl. ausgebildet sind.

6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang der Blende (5) eine umlaufende oder in meh­ rere Einzelabschnitte gegliederte Sperrluftzufuhröffnung (13) vor dem Abgasrückführöffnungen (6) im Flammrohr (7) angeordnet sind.