DE20106097U1 - Arrangement for heating combustion chambers with narrow dimensions - Google Patents
Arrangement for heating combustion chambers with narrow dimensionsInfo
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Description
U1488 Patentanwaltsbüro Pfeiffer & Partner, Winzerlaer Str. 10,07745 JenaU1488 Patent Attorney Office Pfeiffer & Partner, Winzerlaer Str. 10,07745 Jena
Anordnung zur Beheizung von Verbrennungsräumen mit eng begrenzten AbmessungenArrangement for heating combustion chambers with narrow dimensions
BeschreibungDescription
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Beheizung von Verbrennungsräumen mit eng begrenzten Abmessungen gemäß der Gattung der Ansprüche, die bspw. in Vorherden und Speisersystemen der Glasindustrie zur Anwendung kommt.The invention relates to an arrangement for heating combustion chambers with narrowly limited dimensions according to the preamble of the claims, which is used, for example, in forehearths and feeder systems in the glass industry.
Bekannt sind Elektrobeheizungen in unterschiedlichen Ausfuhrungen. Spezielle Arten der Elektrobeheizung, bspw. die Lichtbogenheizung, eignen sich zwar zur Erzeugung höchster Temperaturen in einem Industrie- bzw. Glasofen. Jedoch sind diese Beheizungssysteme nicht für Ofenräume geeignet, in denen ein Einsatzgut auf eine definierte, weitgehend gleichmäßig verteilte Temperatur gebracht oder auf dieser gehalten werden soll. Zur Beheizung von Ofenräumen für schmelzflüssige Materialien wird die direkte elektrische Beheizung meist in Kombination mit einer indirekten elektrischen Beheizung verwendet. Ist die zu beheizende Schmelze nicht elektrisch leitfähig, so ist die direkte elektrische Beheizung nicht anwendbar. Weiterhin gibt es elektrische Beheizungen, die schmelzfähiges Material auf Temperaturen von 1600 0C mit ohmschen Widerständen als Wärmeübertrager im Oberofen erhitzen.Wegen der hohen Investitionskosten, der stark eingeschränkten Einbaumöglichkeiten, des großen Platzbedarfs, der hohen Energiekosten und insbesondere der Korrosionsanfalligkeit der Heizelemente wird der Einsatz einer derartigen Beheizung vorwiegend auf Laboranlagen beschränkt bleiben. Weiterhin ist ein sogen. Platinrohrspeiser bekannt, bei dem flüssiges Glas durch ein Platinrohr geleitet wird, welches gleichzeitig als ohmscher Widerstand für die Beheizung des Glasflusses dient. Da das flüssige Glas allseitig im Platinrohr eingeschlossen ist, wird eine Glasentmischung durch Oberflächenverdampfung verhindert. Dieses Beheizungssystem wird zwar höchsten technologischen Anforderungen gerecht, ist aber wegen des erheblichen Edelmetallbedarfs mit extrem hohen Investitionskosten verbunden.Electric heaters are known in various designs. Special types of electric heating, e.g. arc heating, are suitable for generating extremely high temperatures in an industrial or glass furnace. However, these heating systems are not suitable for furnace rooms in which a material is to be brought to a defined, largely evenly distributed temperature or kept at this temperature. To heat furnace rooms for molten materials, direct electric heating is usually used in combination with indirect electric heating. If the melt to be heated is not electrically conductive, direct electric heating cannot be used. There are also electric heaters that heat meltable material to temperatures of 1600 0 C using ohmic resistors as heat exchangers in the upper furnace. Due to the high investment costs, the very limited installation options, the large amount of space required, the high energy costs and, in particular, the susceptibility of the heating elements to corrosion, the use of this type of heating will mainly be restricted to laboratory systems. A so-called Platinum tube feeders are known in which liquid glass is fed through a platinum tube, which also serves as an ohmic resistor for heating the glass flow. Since the liquid glass is enclosed on all sides in the platinum tube, glass separation through surface evaporation is prevented. Although this heating system meets the highest technological requirements, it is associated with extremely high investment costs due to the considerable precious metal requirement.
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Bei der bekannten Gasbeheizung ist im Allgemeinen eine Vielzahl von Brennern entlang der Längsachse der Brennräume angeordnet. Wegen der spezifischen Gestalt des Ofenraums sind die Brenner in geringen Abständen zueinander angeordnet, damit im Ofenraum hinreichend homogene Temperaturverhältnisse erreicht werden können. Üblicherweise wird den Brennern entweder ein Gemisch von Gas und Luft oder Gas und Luft getrennt zugeführt. Vor allem bei höheren Temperaturen entsteht bei mit Gemisch betriebenen Brennern die Gefahr der Rückzündung in das Gasversorgungssystem. Bei Temperaturen überIn the known gas heating, a large number of burners are generally arranged along the longitudinal axis of the combustion chambers. Due to the specific shape of the furnace chamber, the burners are arranged at short distances from one another so that sufficiently homogeneous temperature conditions can be achieved in the furnace chamber. Usually, the burners are fed either a mixture of gas and air or gas and air separately. Especially at higher temperatures, there is a risk of backfiring in the gas supply system with burners operated with a mixture. At temperatures above
&iacgr;&ogr; 145O0C im Ofenraum werden aus Sicherheitsgründen Beheizungseinrichtungen mit getrennter Gas- und Luftzufuhr zum Brenner benutzt und die Mischung im Brenner selbst vorgenommen. Bei Beheizungseinrichtungen mit offener Flamme im Ofenraum des Speisers oder Vorherds besteht die Gefahr der direkten Flammenberührung des Einsatzgutes und dessen örtlicher Überhitzung. Außerdem steht wegen der begrenzten Ofenraumabmessungen die für eine effektive Wärmeübertragung aus der Flamme an den Ofenraum bzw. an das Einsatzgut über Gasstrahlung die dafür erforderliche Gasschicht nicht zur Verfügung. Verbessern lässt sich die Wärmeabgabe aus der Flamme unter den gegebenen Umständen durch Erhöhung des konvektiven Anteils bei der Wärmeübertragung. Bekannt sind Beheizungseinrichtungen, bei denen in speziell konstruierten Brennern mit getrennter Gas- und Luftzufuhr die Flamme mit hoher Geschwindigkeit als Wandstrahl an den Konturen eines keramischen Brennersteins und den angrenzenden Wandflächen entlang gefuhrt wird und dabei diese aufheizt. Bei dieser Gasbeheizung ist die Effektivität der Wärmeübertragung im Ofenraum hauptsächlich abhängig von der erreichbaren Temperatur der Wärme abgebenden Brennerstein- und Wandflächen. Mit den bekannten Beheizungseinrichtungen sind aber die für den Transport hochschmelzender Gläser erforderlichen Temperaturen nicht erreichbar.&iacgr;&ogr; 145O 0 C in the furnace chamber, heating devices with separate gas and air supplies to the burner are used for safety reasons and the mixture is carried out in the burner itself. With heating devices with an open flame in the furnace chamber of the feeder or forehearth there is a risk of direct flame contact with the feed material and local overheating. In addition, due to the limited dimensions of the furnace chamber, the gas layer required for effective heat transfer from the flame to the furnace chamber or to the feed material via gas radiation is not available. Under the given circumstances, the heat emission from the flame can be improved by increasing the convective component of the heat transfer. Heating devices are known in which in specially designed burners with separate gas and air supplies the flame is guided at high speed as a wall jet along the contours of a ceramic burner block and the adjacent wall surfaces, heating them up in the process. With this gas heating, the effectiveness of heat transfer in the furnace chamber depends mainly on the achievable temperature of the burner stone and wall surfaces that emit heat. However, the temperatures required for transporting high-melting glass cannot be achieved with the known heating devices.
Durch die Erfindung sollen die Temperaturen von gasbeheizten Strahlerflächen über das übliche Maß hinaus erhöht werden, um bei konstantem feuerungstechnischem Wirkungsgrad eine höhere Ofenraumtemperatur bzw. eine Verbesserung des feuerungstechnischenThe invention aims to increase the temperatures of gas-heated radiator surfaces above the usual level in order to achieve a higher furnace chamber temperature or an improvement in the combustion efficiency while maintaining a constant combustion efficiency.
Wirkungsgrades erreichen zu können. Infolge von verfahrenstechnischen und/oder konstruktiven Maßnahmen ist die Festkörperstrahhmg im Verbrennungsraum zu intensivieren und gleichzeitig die Möglichkeit zu schaffen, dass die Beheizungseinrichtung bei den hohen Temperaturen (> 15000C) betriebssicher und mit hoher Standzeit arbeitet und bei gewünschter Temperaturerhöhung der feuerungstechnische Wirkungsgrad konstant bleibt bzw. erhöht wird.As a result of process engineering and/or design measures, the solid body radiation in the combustion chamber must be intensified and at the same time it must be possible for the heating system to operate reliably and with a long service life at high temperatures (> 1500 0 C) and for the combustion efficiency to remain constant or to be increased when the temperature is increased as desired.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einerAccording to the invention, this object is achieved in that in a
&iacgr;&ogr; Beheizungseinrichtung mit einer Anzahl von Brennern kleiner Leistung (oder auch einem Brenner) und getrennter Gas- und Luftzufuhr zu diesen Brennern, die vorzugsweise als Flachflammenbrenner gestaltet sind und sich in der Decke oder den Seitenwänden des Verbrennungsraums befinden, eine Luft-, Sauerstoff- und Gasversorgungseinrichtung je Regelzone angeordnet wird, die einen Sauerstoffanteil von >20,9 % bis 30 % in der mit Sauerstoff angereicherten Verbrennungsluft ermöglicht.
Die Luft-, Sauerstoff- und Gasversorgungseinrichtung gewährleistet die Bereitstellung von Gas und von mit Sauerstoff angereicherter Verbrennungsluft im für die Verbrennung erforderlichen Verhältnis für jede Regelzone, zu der im Allgemeinen mehrere Brenner gehören. Jeder einzelne Brenner besitzt je einen Anschluss für das Verbrennungsgas und für die mit Sauerstoff angereicherte Verbrennungsluft. Ein Temperaturregler wirkt auf ein Stellorgan in der Luftleitung, das bspw. als Drosselklappe oder Stellventil ausgebildet ist. Der statische Druck nach dem Stellorgan in der Rohrleitung wirkt über eine Impulsleitung auf einen Gleichdruckregler in der Gasleitung, der den für die Verbrennung erforderlichen Gasvolumenstrom regelt.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wirkt der statische Druck in der Luftleitung nach dem Stellorgan auch auf einen Gleichdruckregler in der Sauerstoffleitung, der den für die Sauerstoffanreicherung erforderlichen Sauerstoffvolumenstrom regelt. In Flussrichtung gesehen, wird der Sauerstoff nach den Anschlüssen für die Impulsleitung zum Gasgleichdruckregler bzw. Sauerstoffgleichdruckregler in die Luftleitung eingespeist.&iacgr;&ogr; Heating device with a number of low-power burners (or one burner) and separate gas and air supplies to these burners, which are preferably designed as flat flame burners and are located in the ceiling or side walls of the combustion chamber, an air, oxygen and gas supply device is arranged for each control zone, which enables an oxygen content of >20.9% to 30% in the oxygen-enriched combustion air.
The air, oxygen and gas supply system ensures the provision of gas and oxygen-enriched combustion air in the ratio required for combustion for each control zone, which generally includes several burners. Each individual burner has a connection for the combustion gas and for the oxygen-enriched combustion air. A temperature regulator acts on an actuator in the air line, which is designed as a throttle valve or control valve, for example. The static pressure after the actuator in the pipe acts via a pulse line on a constant pressure regulator in the gas line, which regulates the gas volume flow required for combustion.
According to a further feature of the invention, the static pressure in the air line after the actuator also acts on a constant pressure regulator in the oxygen line, which regulates the oxygen volume flow required for oxygen enrichment. Viewed in the direction of flow, the oxygen is fed into the air line after the connections for the impulse line to the gas constant pressure regulator or oxygen constant pressure regulator.
Die Anreicherung der Verbrennungsluft mit Sauerstoff bewirkt eine ausreichende Erhöhung der Flammentemperatur bzw. führt zu einerThe enrichment of the combustion air with oxygen causes a sufficient increase in the flame temperature and leads to a
Erhöhung der für die Wärmeübertragung erforderlichen Strahlungstemperatur des Brennersteins bzw. der angrenzenden Wandflächen. Die Erhöhung der Flammentemperatur durch die Sauerstoffanreicherung in der Verbrennungsluft bewirkt eine Verbesserung des feuerungstechnischen Wirkungsgrades und eine Absenkung des Energieverbrauchs. Infolge der nur geringfügigen Anhebung des Sauerstoffanteils von wenigen Prozent in der Verbrennungsluft reicht der verbleibende Volumenstrom aus der Luft-Sauerstoff-Mischung und dem Gas aus, um die Brennereigenkühlung zuIncreasing the radiation temperature of the burner block or the adjacent wall surfaces required for heat transfer. The increase in the flame temperature due to the oxygen enrichment in the combustion air improves the combustion efficiency and reduces energy consumption. As a result of the only slight increase in the oxygen content of a few percent in the combustion air, the remaining volume flow from the air-oxygen mixture and the gas is sufficient to ensure the burner's own cooling.
&iacgr;&ogr; gewährleisten, so dass die Beheizungseinrichtung betriebssicher und mit einer langen Betriebsdauer arbeitet.&iacgr;&ogr; ensure that the heating system operates reliably and has a long service life.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung undThe invention is explained in more detail below using the schematic drawing of two embodiments. They show:
Fig. 1 is a block diagram of the arrangement according to the invention and
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Speiserkanal mit eingebautem Brenner, der die Erfindung benutzt.Fig. 2 is a cross-section through a feeder channel with built-in burner using the invention.
In einer Regelzone 10 eines im übrigen nicht dargestellten Speiserkanals sind gemäß Fig. 1 vier Brenner 11, 12, 13, 14 über eine Luft-, Sauerstoff- und Gasversorgungseinrichtung 15 mit entsprechenden Zuführungsleitungen 16, 17, 18 für Gas, Luft und Sauerstoff verbunden. Ein Temperaturregler 19 ist einerseits mit einem Thermosensor 20 verbunden und steuert andererseits eine Stellklappe 21 in der Luftleitung 17 an. Der nach der Stellklappe 21 sich in der Zuführungsleitung 17 einstellende statische Druck wirkt auf Gleichdruckregler 22, 23, die sich in der Zuführungsleitung 16 zur Regelung des Gasvolumenstroms bzw. in der Sauerstoffleitung 18 zur Regelung des Sauerstoffvolumenstroms befinden. Von der Luftleitung 17 gehen in Flussrichtung nach der Stellklappe 21 Impulsleitungen 24, 25 zu den entsprechenden Gleichdruckreglern 22, 23 ab. Die Impulsleitungen 24, 25 stellen somit Wirkverbindungen zwischen der Luftleitung 17 und der Gasleitung 16 bzw. der Sauerstoffleitung 18 dar. Die Abgänge 26, 27 der zugehörigen Impulsleitungen 24, 25 von der Luftleitung 17 liegen, in Flussrichtung gesehen, vor der Einmündung 28 der Sauerstoffleitung 18 in die Luftleitung 17 und in der Vorrichtung 15. Die nunmehr mit SauerstoffIn a control zone 10 of a feeder channel (not otherwise shown), according to Fig. 1, four burners 11, 12, 13, 14 are connected via an air, oxygen and gas supply device 15 to corresponding supply lines 16, 17, 18 for gas, air and oxygen. A temperature controller 19 is connected on the one hand to a thermal sensor 20 and on the other hand controls a control flap 21 in the air line 17. The static pressure that occurs in the supply line 17 after the control flap 21 acts on constant pressure regulators 22, 23, which are located in the supply line 16 for regulating the gas volume flow and in the oxygen line 18 for regulating the oxygen volume flow. Impulse lines 24, 25 lead from the air line 17 in the direction of flow after the control flap 21 to the corresponding constant pressure regulators 22, 23. The impulse lines 24, 25 thus represent effective connections between the air line 17 and the gas line 16 or the oxygen line 18. The outlets 26, 27 of the associated impulse lines 24, 25 from the air line 17 are located, viewed in the direction of flow, in front of the junction 28 of the oxygen line 18 in the air line 17 and in the device 15. The oxygen
angereicherte Verbrennungsluft wird ebenso wie das Brenngas je in einer Sammelleitung 17' bzw. 16' den Brennern 11, 12, 13, 14 zugeführt, wobei von den Sammelleitungen 16', 17' Stichleitungen 29, 30 zu den einzelnen Brennern der Regelgruppe 10 abzweigen. Während die Anreicherung des Sauerstoffs in der Gas-, Luft- und Sauerstoffversorgungseinrichtung 15 stattfindet, erfolgt die Mischung des Brenngases und der Verbrennungsluft vorzugsweise in der Nähe der Düse jedes der Brenner 11, 12, 13, 14. Durch die Erhöhung des Sauerstoffgehaltes der Verbrennungsluft um 1% wird im Beispiel dieenriched combustion air is supplied to the burners 11, 12, 13, 14 in the same way as the fuel gas in a manifold 17' or 16', whereby branch lines 29, 30 branch off from the manifolds 16', 17' to the individual burners of the control group 10. While the enrichment of the oxygen takes place in the gas, air and oxygen supply device 15, the mixing of the fuel gas and the combustion air preferably takes place near the nozzle of each of the burners 11, 12, 13, 14. By increasing the oxygen content of the combustion air by 1% in the example, the
&iacgr;&ogr; Flammentemperatur um etwa 5O0C erhöht.&iacgr;&ogr; Flame temperature increased by about 5O 0 C.
In Fig. 2 ist ein Brenner 11 von oben in eine Öffnung 31 eines Brennersteins 32 eingelassen, die sich nach unten, in den Oberofen 33 mit einer rotationssymmetrischen, gekrümmten Fläche 31' erweitert. Die Lanze des Brenners 11 weist rückwärtig einen Anschluss 29' für die Gas-Stichleitung 29 (Fig. 1) und einen Anschluss 30' für die sauerstoffangereicherte Luft führende Stichleitung 30 (Fig. 1) auf. In der Nähe der Brenneraustrittsöffnung IV werden Gas und mit Sauerstoff angereicherte Luft im Brenner 11 zusammengeführt und entzündet.In Fig. 2, a burner 11 is inserted from above into an opening 31 of a burner block 32, which widens downwards into the upper furnace 33 with a rotationally symmetrical, curved surface 31'. The lance of the burner 11 has a connection 29' at the rear for the gas branch line 29 (Fig. 1) and a connection 30' for the branch line 30 carrying oxygen-enriched air (Fig. 1). Gas and oxygen-enriched air are brought together in the burner 11 near the burner outlet opening IV and ignited.
Dabei ergibt sich eine an die Fläche 3 &Ggr; und die den Oberofen 33 begrenzende Fläche 32' des Brennersteins 32 angeschmiegte Flachflamme 34, die den Brennerstein 32 größtmöglich aufheizt. Der Brennerstein 32 schließt den Oberofen (Verbrennungsraum) 33 nach oben zu ab; weiterhin gehören zum Speiserkanal 35 weniger beanspruchte und deshalb weniger dicke Seitenwände 36 des Oberofens 33 und aus dickerem Feuerfest-Material bestehende Seitenwände 37 und Boden 38 einer Rinne 39 für die Fortleitung des geschmolzenen Glases 40. Rinne 39 und Oberofen 33 sind zur Vermeidung von Wärmeverlusten von Isoliermaterial 41 umgeben. Der gesamte Speiserkanal 35 ruht auf einem Träger 42.This results in a flat flame 34 which is pressed against the surface 3 Γ and the surface 32' of the burner block 32 which delimits the upper furnace 33 and which heats the burner block 32 as much as possible. The burner block 32 closes off the upper furnace (combustion chamber) 33 at the top; the feeder channel 35 also includes side walls 36 of the upper furnace 33 which are subject to less stress and are therefore less thick, and side walls 37 and bottom 38 of a channel 39 made of thicker refractory material for the transport of the molten glass 40. The channel 39 and upper furnace 33 are surrounded by insulating material 41 to prevent heat loss. The entire feeder channel 35 rests on a support 42.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.All features presented in the description, the following claims and the drawings can be essential to the invention both individually and in any combination with one another.
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Cited By (2)
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2001
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