DE2221485A1

DE2221485A1 - Hochleistungsgasbrenner fuer verfluessigte Brennstoffe

Info

Publication number: DE2221485A1
Application number: DE19722221485
Authority: DE
Inventors: Guy Lamoureux
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1971-05-03
Filing date: 1972-05-02
Publication date: 1972-11-16
Also published as: JPS5735376B1; FR2135397B1; IT954854B; BE782597A; FR2135397A1; GB1392844A

Description

betreffend
Hochleistungsgasbrenner für verflüssigte Brennstoffe

Die Erfindung betrifft einen Gasbrenner für verflüssigte Brennstoffe, beispielsweise für Butan oder Propan, die dem Brenner in flüssigem Zustand zugeführt und mittels eines Zerstäubers wieder ausgestoßen werden. Derartige Brenner werden im folgenden als "gattungsgemäße" Brenner bezeichnet. Sie lassen sich als Hochleistungsheizgeräte, beispielsweise für Kapazitäten oder Leistungen von mehr als 60 th/h,einsetzen.

Für den Einsatz solcher Brenner ist im allgemeinen ein sehr weiter Belastungsspielraum erwünscht, so daß große betriebliche Anpassungsfähigkeit gegeben ist. Um insbesondere gattungsgemäße Brenner von einer elektrischen Einrichtung aus

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zünden zu können, ist es erwünscht, daß die Brennerbelastung im Augenblick der Zündung wesentlich niedriger liegt als die Nennbelastung, beispielsweise bei höchstens 15 % der Nennlast.

Weiterhin soll eine möglichst glatte und stoßfreie Überleitung beim Steigern der Leistung nach der Zündung sowie beim normalen Betrieb des Brenners ermöglicht werden.

Wird von den üblicherweise vorliegenden Dampfdrücken der erwähnten verflüssigten Gase ausgegangen und werden die Kennwerte gegenwärtig auf dem Markt erhältlicher Pumpen berücksichtigt, so muß der Speise- oder Zufuhrdruck am Brenner zwischen etwa 2,5 und 10 Bar schwanken können. Werden dabei
nur die Druckschwankungen ausgenutzt, so ist es unmöglich,
eine innerhalb weiter Grenzen gleichmäßig veränderbare Belastung zu erreichen. Tatsächlich schwankt die Belastung des
Zerstäubers auch notwendigerweise mit der Quadratwurzel des Drueks. Da, wie erwähnt, der Druck sich im Verhältnisbereich von 1 bis 4 ändert, kann sich die Belastung nur im Bereich
von -1 bis 2 ändern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner der eingangs genannten Gattung zu schaffen, dessen Belastung und Leistung sich in weiten Grenzen ändern läßt, wobei ein Belastungsanstieg vorzugsweise im Verhältnis zum Druckanstieg
erfolgen soll.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird für einen gattungsge- · mäßen Brenner vorgeschlagen, mit Ventilen versehene Zerstäuberöffnungen in Abhängigkeit vom Innendruck und unter Berücksichtigung vorgegebener Bedingungen des Drucks und der Brennstoff Zuführungssteuerung zu betätigen.

Die Erfindung ist bei einem Brenner, bei dem ein Brennstoff in flüssigem oder verflüssigtem Zustand eingespeist und über einen Zerstäuber wieder ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerstäuber wenigstens zwei Reihen von Öffnungen

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als Fluiddurchtrittskanale aufweist, daß jeder dieser Reihen ein Absperrventil zugeordnet ist und daß die Ventile nacheinander durch die Verschiebung eines Steuerelements über den Innendruck des Brenners steuerbar sind.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht das durch den Innendruck des Brenners betätigbare Steuerelement aus einer Steuerstange, die an einer Membran befestigt ist, die auf den Innendruck anspricht.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist die Steuerstange in der Mitten- und gleichzeitig Symmetrieachse des Brenners angeordnet, während die Reihen von Öffnungen in konzentrischen Ringen um diese Achse herum verteilt angeordnet sind, wobei die Absperrventile in Ausrichtung auf diese Achse relativ zueinander teleskopartig angeordnet sind. Das den Ring von Öffnungen mit den kleinsten Durchmessern schließende Ventil ist vorzugsweise ein Teil der Steuerstange.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist die Membran mit einer einstellbaren Feder ausgerüstet, die gegen den Innendruck des Brenners wirkt.

Der Brenner kann vorzugsweise drei Kammern aufweisen, die gegeneinander durch zwei Trennwände abgegrenzt sind, die als Führungen für die Steuerstange dienen und die weiterhin mit Öffnungen versehen sind, über die die Kammernmiteinander kommunizieren. In die mittlere Kammer mit kleinem Volumen ^ewird das unter Druck stehende.Fluid eingespeist. In der vorderen Kammer, deren eine Wand durch den Zerstäuber gebildet ist, erfolgt die Einstellung und Anpassung der Ventile, während die hintere Kammer, die ein großes Volumen aufweist, die Regulierung der Membran besorgt.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

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Fig. 1 zeigt einen Axialschnitt durch einen Brenner mit erfindungsgemäßen Merkmalen;

Fig. 2 zeigt in einem Arbeitsdiagramm die Veränderungen der Brennerbelastung in Relation zum inneren Speisedruck.

Der Brenner gemäß Fig. 1 ist symmetrisch zu einer Zentralachse AA aufgebaut. Er weist einen äußeren Körper 10 auf, .der aus einem rohrförmigen vorderen Teil 11, einem zylindrischen rückwärtigen Teil 12 mit im Vergleich zum vorderen Teil 11 relativ großem Durchmesser und einem konischen trichterförmigen Teil 13, der die Teile 11 und 12 verbindet, besteht.

Die Einspeisung des Brennstoffs in den Brenner erfolgt über eine Düse 20, die an den Brennerkörper am hinteren Ende des Teils 11 angeschlossen ist.

Das Innere des Körpers 10 ist durch zwei Trennwände 14 und in drei Kammern 30, 31 und 32 unterteilt, wobei die Trennwände je mit einer Zentralöffnung 14a, 15a und mit Öffnungen für den Durchtritt des Fluids 14b, 15b versehen sind.

Die vordere Kammer 30 ist am vorderen Ende durch eine Zerstäubereinrichtung begrenzt, die im wesentlichen aus einer Platte 40 besteht, die am Ende des Teils 11, beispielsweise mittels einer Überwurfmutter 41, befestigt ist. Der Zerstäuber weist zwei Ringe von Öffnungen 42 und 43 auf, die in verschiedenem Durchmesser die Achse AA umgeben.

Die Düse 20 mündet in die mittlere Kammer 31, wobei die Öffnungen 14b und 15b den Durchtritt des über die Düse 20 einströmenden Brennstoffs von der Kammer 31 in die beiden anderen Kammern 30 und 32 ermöglichen.

Die rückwärtige Kammer 32 ist auf der Rückseite durch eine Membran 50 begrenzt, die gegen eine innere Ringschulter 13a des Teils 13 anliegt. Ein dichtes Anliegen der äußeren Umfangsfläche der Membran 50 gegen die Schulter 13a mittels einer

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Dichtung 51 wird durch einen Rand 61 eines Deckels 60 gewährleistet, der in das Teil 12 eingeschraubt ist. Der Boden 62 des Deckels 60 ist mit Öffnungen 62a versehen, über die das Innere 63 des Deckels hinter der Membran 50 mit der Außenatmosphäre kommunizieren kann. · ·

In der Mitte ist das Bodenteil 62 mit einer mit Schraubgewinde versehenen Öffnung 64 versehen, in die eine Anschlagschraube 65 eingesetzt ist, die mittels einer Sperrmutter 66 eingestellt und in einer bestimmten Einstellung festgezogen werden kann. Der vordere Bereich der Schraube 65 weist eine zylindrische und axial liegende Ausnehmung 6 7 auf.

In an sich bekannter Weise ist mit der Membran 50 eine Steuerstange 70 verbunden, die einen vorderen Bereich 70a mit großem Durchmesser und einen mit Gewinde versehenen hinteren Bereich 70b mit kleinerem Durchmesser aufweist. Die Membran ist über ihre Mittenöffnung 50a über den Bereich 70b aufgesetzt, und eine mit dem Bereich 70b zusammenwirkende Mutter 71 gewährleistet unter gleichzeitiger Verwendung einer Dichtung 72, daß der Rand der Öffnung 50a der Membran 50 gegen eine Schulter 73 gedrückt wird, durch die die Bereiche 70a und 70b der Stange 70 voneinander unterschieden werden.

Das Ende des Bereichs 70 b ist in die zylindrische Ausnehmung 67 eingesetzt, in der ein freies Gleiten möglich ist, wobei der Grund der Ausnehmung 67 als Anschlag für das Ende des Bereichs 70b der Stange 70 dient. Eine Druckfeder 80 umgibt den Bereich 70b, und ein Ende dieser Feder 80 liegt gegen die Mutter 71 an, während das andere Ende gegen das Vorderende 65a des Schraube 65 abgestützt ist.

Der vordere Bereich 70a des Steuerstange 70 kann in den Zentralöffnungen 14a und 15a gleiten, die als Lager für die Stange dienen.

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Eine Reihe von Öffnungen 42 läßt sich mittels eines Ventils

92 verschließen, das auf das Ende einer Stange 92a aufgesetzt ist, die in den vorderen Bereich 70a der Stange 70 eingeschraubt ist.

Die Reihe der Öffnungen 43 läßt sich durch ein topf- oder deckeiförmiges Ventil 93 verschließen, das das Ventil 92 umgibt und gleitbar auf den gewindelosen vorderen Teil der S'tange 92a aufgesetzt ist. Öffnungen 93a führen durch das Ventil

93 und sorgen dafür, daß durch dieses Ventil die Brennstoffzufuhr zu den Öffnungen 42 niemals unterbrochen werdeq kann.

In seiner Verschlußstellung wird das Ventil 93 durch eine Feder 94 gegen die Öffnungen 43 gepreßt. Die Feder 94 umgibt die 'Stange 92a und liegt gegen eine Mutter 95 an, die auf den mit Gewinde versehenen hinteren Teil der Stange 92a aufgezogen und durch eine Sperrmutter 96 gesichert ist.

Das Ventil -92, das zum Verschließen der ersten Reihe von Öffnungen 42 dient, bildet ein Teil der Stange 70, die in Abhängigkeit der Verformungen der Membran entgegen der Wirkung d?r Teder 80 verschiebbar ist, wobei sich der Druck dieser Feder mittels der Schraube 65 einstellen läßt. Andererseits ist das Ventil 93 gleitbar auf die Stange 92a aufgesetzt und wird durch die Feder 94 fortwährend in seine Verschlußstellung gedrückt. Der Druck der Feder läßt sich mittels der Mutter einstellen. Eine Rückwärtsverschiebung der Stange 92a bewirkt, daß das Ventil 92 gegen den Boden des Kappen- oder Topfventils 93 anliegt. Die Öffnungen 14b und 15b der Trennwände 14 und und die Öffnungen 93a des Ventils 93 stellen eine Verbindung zwischen den verschiedenen Zonen der Kammern 30, 31 und 32 her.

Die Betriebsweise des soweit beschriebenen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brenners soll im folgenden erläutert werden. Dabei wird insbesondere erläutert, welche Vorgänge bei einem Anstieg des Speisedrucks des Brennstoffs ablaufen, der in den Brenner über die Düse 20 eintritt.

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In der Anfangsstellung, die .in Fig. 1 gezeigt ist, sind die beiden Ventile 92 und 93 geschlossen, wobei das Ventil 92 unter Wirkung der Feder 80 steht, die die Stange 70 in Vorwärtsrichtung schiebt, während das Ventil 93 durch die Feder 94 beaufschlagt ist. Strömt der verflüssigte Brennstoff über die Düse 20 in den Brenner ein, so steigt der Druck in den drei Kammern 30, 31 und 32 gleichzeitig an. Bei einem Druck p^ (siehe auch Fig. 2), wird die Membran 50 entgegen der Wirkung der Feder 80 nach rückwärts verschoben und bewegt dabei gleichzeitig die Stange 70, die mit der Stange 92a des Ventils 92 zu einer Einheit verbunden ist. Dieses Ventil 92 wird damit von den Öffnungen 42 abgerückt, die damit nicht mehr bedeckt sind. Der Brennstoff kann damit durch diese Öffnungen austreten. Steigt der Druck weiterhin an, so wächst auch mit der Quadratwurzel des Drucks die Belastung. Die Membran 50 und die Stange 70 werden damit weiter zum hinteren Ende des Brenners verschoben. Bei einem Druck p~ erreicht die Verschiebung einen Punkt _% an dem das Ventil 92 mit dem Ventil 93 in Berührungskontakt kommt. Geht die Bewegung weiter, so schiebt das Ventil 92 das Ventil 93 rückwärts, so daß außerdem die Öffnungen 43 freigegeben werden. Von diesem Augenblick an wächst die Belastung abrupt, da der Brennstoff durch beide Reihen von Öffnungen 42 und 43 ausgestoßen wird. Der Druckanstieg und die Verschiebung der Teile 70, 92 und 93 zum hinteren Ende hin erfolgen gegen die Wirkung der beiden Federn 80 und 94 so lange, bis der Druck ein Maximum p₃ erreicht oder bis die hintere Endfläche des Bereichs 70b der Stange 70 gegen den Grund der Ausnehmung 6 7 anliegt.

Fig. 2 verdeutlicht die Kurve der Belastungsänderung als Funktion des Speisedrucks. Der tatsächliche Verlauf wird durch die ausgezogene Linie wiedergegeben und ist durch die Kennwerte der Federn, die Ventile und die mit diesen Ventilen zusammenwirkenden Öffnungen sowie durch die verschiedenen Steuerwirkungen beeinflußt, die zwischen den Öffnungen und den zugeordneten Ventilen wirksam sind. Der theoretische Kurvenverlauf ist durch die gestrichelte Linie wiedergegeben und beruht auf

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der Annahme, daß die Ventile ohne Strömungshindernis und dergleichen frei öffnen und keinerlei Steuerwirkung unterliegen.

Die theoretische Kurve läßt beim Öffnen des Ventils 93 einen plötzlichen Anstieg erkennen. Andererseits zeigt die tatsächliche Kurve einen regelmäßigen Anstieg auf Grund der möglichen Wahl der verschiedenen oben erwähnten Elemente, insbesondere jener, die die Steuerwirkung beeinflussen. Dieser gleichmäßige Kurvenverlauf ist ein ganz wesentliches Merkmal und ein überraschender Fortschritt der Erfindung.

Die Erfindung ist keinesfalls auf das spezielle Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere können mehr als zwei Serien von Öffnungen vorgesehen sein, die mit mehr als zwei Ventilen versehen sind, die ebenfalls teleskopartig ineinandergreifend wirken, wobei jeweils ein Ventil bei der Verschiebung des nächsten Ventils mitwirkt.

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Claims

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Patentan Sprüche

Brenner, bei dem ein Brennstoff in flüssigem bzw. verflüssigtem Zustand eingespeist und über einen Zerstäuber wieder ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet , daß der Zerstäuber (40) wenigstens zwei Serien von Öffnungen (42, 43) aufweist, daß jeder dieser Serien ein unabhängiges Absperrventil (92, 93) zugeordnet ist und daß die Stellung der Ventile durch die Verschiebung eines über den Innendruck des Brenners betätigbaren Elements steuerbar ist. .
2.) Brenner nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet , daß das Steuerelement aus einer Stange (70) besteht, die an einer Membran (50) befestigt ist, die auf den Innendruck anspricht.
3.) Brenner nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein inittig angeordnetes Ventil .(92a), das Teil der Steuerstange (70) ist.
4.) Brenner nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (50) mit einer gegen den Innendruck des Brenners wirkenden einstellbaren Feder (80) verbunden ist.
5.) Brenner nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuerstange (70) in der mittig liegenden Symmetrieachse angeordnet ist, daß die Serien von Öffnungen (42, 43) konzentrisch und ringförmig um diese Symmetrieachse herum angeordnet sind und daß die Absperrventile (92, 93) in Ausrichtung auf diese Achse konzentrisch und relativ zueinander teleskopartig verschiebbar angeordnet sind.

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6.) Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (92, 93) mit Federn (80, 94) versehen sind, die versuchen, die Ventile in gesperrtem Zustand zu halten, und daß die Federkräfte, die Größe der Öffnungen und der Ventile und der Hub des Steuerelements im Verhältnis zum Innendruck so gewählt sind, daß beim Betrieb bei einem Anstieg des Brennerinnendrucks ein ruckfreier, d.h. gleichmäßiger Belastungsanstieg erfolgt.
7.) Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilfedern einstellbar sind.
8.) Brenner nach einem der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet durch drei miteinander kommunizierende Kammern 30, 31, 32), die durch als Lager für die
Steuerstange (70) dienende Trennwände (14, 15) unterteilt • sind.
9.) Brenner nach Anspruch 8, gekennzeichnet
durch eine vordere zylindrische Kammer (30), eine
mittlere mit der Brennstoffzuführdüse versehene zylindrische Kammer (31) und eine trichterförmige rückwärtige Kammer (32), deren Abschlußwand von der Membran (50) gebildet ist.

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L e. e r s e i t e