DE2157526A1

DE2157526A1 - Brennersystem für Brennstoffgemische

Info

Publication number: DE2157526A1
Application number: DE19712157526
Authority: DE
Inventors: Andrew D. Bedford; Bonk Stanley Burlington; Mass. Vasilakis (V.StA.). P F23g 5-06
Original assignee: Thermo Electron Corp
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Inc
Priority date: 1970-11-30
Filing date: 1971-11-19
Publication date: 1972-06-15
Also published as: NL7116395A; GB1395489A; US3726633A; CA935752A

Description

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Münchon Ϊ.2, SL^ncdorfstr. 10

65-17.84βΡ(ΐγ.847Η) 19. H. 1971

THERMO ELECTRON CORPORATION, Waltham (Mass.),

V. St. A.

Brennersystem für Brennstoffgemische

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennersystem für Brennstoffgemische mit einem Brenner, Fördermitteln für das Brennstoffgemisch, einer Brennkammer und einem Strah- ^

lungs-Wärmetauseher.

Die Notwendigkeit einer Kontrolle von Verunreinigungen ist soweit erkannt, daß sich eine weitere Erläuterung erübrigt. Einen wesentlichen Anteil an beispielsweise der Luftverschmutzung haben die Haushalte, und indu&ti^ielle Heizungsanlagen. Es sind außerordentlich große Bestrebungen im Gange, um den Ausstoß von Staub oder Schmutz in die Atmosphäre zu vermindern. Die meisten dieser Anstrengungen konzentrieren sich jedoch auf eine Abscheidung

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der bereits erzeugten Verunreinigungssubstanzen. Verschiedene Apparate, wie beispielsweise Niederschlagsgeräte, werden in Schornsteine oder Abzüge von Heizungsanlagen ebenso wie verschiedene andere chemische oder mechanische Waschvorrichtungen eingebaute Derartige Systeme arbeiten bis zu einem gewissen Grad zufriedenstellend, ihre Installation und ihr Unterhalt stellen jedoch einen weiteren, erheblichen Kostenfaktor dar. In einigen Fällen sind Material-Rückgewinnungs-Systeme vorgesehen, mit denen ein gewisser Kostenausgleich erzielt wird. Es liegt jedoch auf der Hand, daß am vorteilhaftesten eine Verhinderung der Entstehung von Schmutz ist.

Eine derartige Vermeidung ist nicht ignoriert worden, sie führte jedoch meist zu nichts anderem als zu einer Auswahl eines "reineren" Brennstoffes. Merklich bessere Ergebnisse konnten zwar erzielt werden, die Menge solcher "reinen" Brennstoffe ist jedoch begrenzt, so daß sie ständig teurer werden, was ihrer weiteren Verarbeitung entgegensteht.

Die Erfindung unterscheidet sich grundsätzlich von den oben beschriebenen Verfahren, da sie keine speziellen Brennstoffe oder Abscheidegeräte benötigt. Sie geht vielmehr von der Erkenntnis aus, daß eine vollständigere Verbrennung die Entstehung von Schmutz reduziert, was überraschenderweise zu einer Vergrößerung der Wärmeausbeute führt. In einer Ausführung gemäß der Erfindung gelangt Brennstoff durch eine bekannte Zerstäubungsdüse in den Brenner, wobei die Verbrennungsluft um die Zerstäubungsdüse eingeleitet wird. Verschiedene Arten von Mischvorrichtungen, wie beispielsweise Wirbelkanäle, können

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verwendet werden, um sicherzustellen, daß der Brennstoff sofort gezündet wird und eine vollständige Verbrennung erfolgt. Der Brenner ist vorzugsweise an einer scheibenförmigen Endplatte aus keramischem Material, z_c B. einem fließfähigen feuerfesten Stein, mittig so montiert, daß die Flamme durch das Zentrum der Endplatte in einen zylindrischen Raum hineinbrennt, wobei die Längswände des Zylinders von einem Strahlungssieb und die andere Endplatte von einer ebenen Scheibe eines gießfähigen, feuerfesten Steines gebildet werden. Das Sieb kann aus "Inconel" "Nichrome r", "Silikat-Karbidfasern" oder anderen hochtemperatur- und oxydationsbeständigem Material bestehen und, falls erforderlich, mit einem hoch-temperaturbeständigem keramischen Material, wie beispielsweise Tonerde, beschichtet sein. Die Ausführung des Siebgewebes ist derart, daß sehr wenige radial durch das zylindrische Sieb gehende Öffnungen vorhanden sind. Ein Siebboden bzw. eine Gewebeart, die diesen Anforderungen voll genügt, ist als "Mi chigan-Metal1gewebe" bekannt.

Bei einer derartigen Struktur nimmt das Sieb nicht nur Wärme durch Konvektion aus den Verbrennungsgasen auf, die es durchströmen, sondern es ist auch der von der Verbrennungsflamme ausgehenden Strahlung ausgesetzt und dient gleichzeitig zur vollständigen Einfassung der Verbrennung innerhalb der zylindrischen Kammer. Die Verbrennung erfolgt im wesentlichen vollständig bei geringem Luftüberschuß, so daß nur minimale Verbrennungsrückstände bei hoher Wärmeleistung erhalten werden.

Zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen Systems und zur Erläuterung weiterer Vorteile wird ein Aus-

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führungsbeispiel der Erfindung anhand der ein Brennersystem im Schnitt zeigenden Zeichnung genauer erläutert.

In der Zeichnung ist eine mit einer Düse 14 verbundene Zuflußleitung 12 für den Brennstoff gezeigt. Dieser kann irgendeine herkömmliche Heizflüssigkeit sein, da das System in einem weiten Brennstoffbereich zufriedenstellend arbeitet.

Die Düse 14 ist von einem Rohr 16 umgeben, durch welches Luft strömt. Vorzugsweise ist die Düse 14 eine Zerstäubungsdüse und das Rohr 16 mit Wirbelkanälen versehen, durch die ein verbessertes Vermischen der Luft mit dem zerstäubten Brennstoff erreicht wird.

Eine mit einer Zentral öffnung versehene Scheibe kann als Halterung für die Zuleitungen und den Brenner dienen. Sie ist durch geeignete Mittel an einem Ansatz 20 befestigt, der einstückig mit einem Flansch 22 aus gießfähigem keramischem Material hergestellt und beispielsweise als gießfähiger, feuerfester Stein ausgebildet ist. Eine mit der Scheibenöffnung verbundene Zentralöffnung 2k erstreckt sich durch den Ansatz und geht in eine größere Öffnung an der Innenseite des Flansches über.

Mit diesem Flansch 22 ist vorzugsweise ohne Verwendung irgendeines Zwischenmetalls ein zylindrisches Sieb 26 verbunden. Das Sieb 26 ist auf gleiche Weise mit seinem anderen Ende mit einer Endplatte 28 aus keramischem Material, wie z. B. einem feuerfesten gießfähigen Stein, verbunden. Es ist wünschenswert, daß das Sieb

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mit den Endgliedern 22 und 28 vergossen ist, um die Verwendung irgendwelcher Verbindungselemente zu verhindern und irgendwelche Fugen zu eliminieren«.

Wie festgestellt, besteht das Sieb 26 aus einem Gewebe, das im wesentlichen keine direkten Radialöffnungen enthält. Wenige optische Durchgangsbahnen durch das Sieb sind jedoch vorhanden. Bei einer typischen Ausführung besteht das Gewebe aus 0,0115 mm starken Drähten bei einer Siebfeinheit von z. B. 50 χ 250» Weder die Länge des Sie- | bes noch der Zylinderdurchmesser sind begrenzte Bei einem Durchmesser von ca. 18 cm und einer Länge von ca« Zk cm sind mehr als 100,000 Btu/hr der Wärmeerzeugung erzielt worden. Bei gleichem Durchmesser und einer Länge von ca, 29 cm sind ungefähr 14O.OOO Btu/hr der Wärmeerzeugung bei einem Druckabfall von ca» 16 auf ca. 18 mm Wassersäule erreicht worden. Was die Art des Gewebes betrifft, wurde oben bereits ausgeführt, daß ein Michigan-Metallgewebe zweckmäßig ist, wobei jedoch auch andere Gewebe, in denen die optischen Bahnen durch das Sieb außerordentlich gering sind, auch eingesetzt werden können.

Im Betrieb wird Brennstoff und Luft in herkömmlicher " Weise zur Düse 14 und zum Rohr 16 gefördert« Das Brennstoff gemisch kann durch die bekannte Verwendung einer Zündkerze oder eines anderen Zünders entflammt werden. Die entstandene Flamme ist vollständig im Zylindergehäuse eingeschlossen, und das Sieb 26 wird mindestens teilweise durch die Strahlungsenergie der Flamme erwärmt. Die gleichen Eigenschaften der Siebausführung, die ein vollständiges Auffangen der Strahlungsenergie durch das Sieb bewirken, dienen auch der Abgabe der größten Wärmemenge,

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die in den das Sieb passierenden Verbrennungsgasen enthalten ist. Es wird somit eine Wärmeübertragung durch Strahlung und Konvektion von außerordentlicher Intensität erreicht.

Das Sieb gibt Wärme hauptsächlich durch Strahlung ab und erreicht eine Durchschnittstemperatur von 16OO bis 25OO ⁰F, die im wesentlichen gleich oder nur gering unter den Temperaturen des Gases im Zylinder liegte Die Verbrennung im Zylindervolumen ist weitgehend vollständig. U gefähr ho bis 50 $ der zugeführten Brennstoffmenge η

wird in Wärmestrahlung umgesetzt. Am unteren Ende des Betriebstemperaturbereiches kann das Sieb aus einfachen, gegen Oxydation widerstandsfähigen, oben genannten Legierungen bestehen; bei hohen Temperaturen kann die Lebensdauer des Siebes jedoch durch Aufbringen keramischer Beschichtungen erhöht werden. Diese Schichten können durch Tauchen, Sprühen, durch Aufdampfen oder- chemische Anlagerung aufgebracht werden. Dabei werden diese keramischen Beschichtungen nicht nur zur Erhöhung des Betriebstemperaturbereiches verwendet, sondern sie erlauben auch die Verwendung von billigeren Materialien im Grundsieb gegenüber den spezifischen, oxydationsfesten Legierungen.

Das Sieb besitzt eine außerordentlich geringe thermische Trägheit, was bedeutet, daß die Leistungsfähigkeit des Systems während des Anlaufens und beim Wechsel der Feuerungsgeschwindigkeit auf einen hohen Stand gehalten wird. Hinsichtlich der Anlaufeigenschaften sind diese beim Siebmetall derart, daß es seine mittlere Temperatur sehr schnell erreicht, wodurch eine Abkühlung von unverbranntem

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Brennstoff durch kalte Flächen außerordentlich gering ist, was einen Abfall der vollständigen Verbrennung bedeuten würde. Ein weiterer Vorteil des Siebes ist seine Fähigkeit, irgendwelche unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Zylindervolumen zu zünden, die bei einer Verbrennung im Zentrum des Zylxndervoluniens nicht mit erfaßt werden. Das Sieb arbeitet bei Temperaturen unter denen zur Entstehung von (NO) , sie sind jedoch hoch genug, um irgendwelche Spuren von unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu verbrennen, so daß das Futter 2k bei einem geringeren Emissionsstand betrieben werden kann.

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Claims

Patentansprüche

Brennersystem für Brennstoffgemische mit einem Brenner, Fördermitteln für das Brennstoffgemisch, einer Brennkammer und einem Strahlungs-Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet , daß der Wärmetauscher als Zylinder ausgebildet ist, dessen Endplatten (22, 28) aus hitzebeständigem, isolierendem Material bestehen und dessen Mantel ein Sieb (26) ist, daß der Brenner (i4 eine der Endplatten (22) derart durchragt, daß die Verbrennung des Brennstoffgemisches innerhalb des Zylinders unter Erzeugung einer Flamme und von Abgasen erfolgt, und daß das dichtgewebte Sieb (26) nur wenige radiale Durchlaßbahnen enthält, wodurch die Verbrennung auf das Zylinderinnere begrenzt und das Sieb durch Flammenstrahlung und Konvektion der durchgehenden Gase erwärmt wird.
2. Brennersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sieb (26) mit hoch-temperaturbeständiger Keramik beschichtet ist.
3. Brennersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endplatten (22, 28) aus gießfähigem keramischem Material bestehen und das Sieb (26) mit den Platten vergossen ist.
4. Brennersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sieb (26) aus einem Gewebe besteht, welches fast keine optischen Durchgangsbahnen aufweist.

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5« Brennersystem nach Anspruch, k, dadurch gekennzeichnet, daß das Sieb aus einem "Michigan-Metallgewebe" besteht.
6. Brennersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hoch-temperaturbeständige Keramik-Tonerde und/oder Aluminiumoxyd ist,
7. Brennersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endplatten als gießfähige, feuerfeste Steine ausgebildet sind.
8. Brennersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Material eines aus der Gruppe "Inconel", "Nichrome" und Siliziumkarbxd ist»

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