DE2306342A1 - Blaubrenner und verfahren zur aufrechterhaltung einer blauen flamme - Google Patents

Description

8. Februar 1973 Gzk/pn

Frank V/. Bailey, 60 Parkway Drive East, East Orange,

New Jersey / U.S.A.

Blaubrenner und Verfahren zur Äufrechterhaltung einer blauen Flamme

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brermeri und eines Wärmetauschers, wobei eine blaue'Flamme aufrechterhalten wird, und eine Vorrichtung zum Brennen von flüssige:« Brennstoff aus Kohlenwasserstoff zur Erzeugung einer stabilen blauen Flamme mit geringer Emission an Stickstoffoxid und Makroteileben (Bachrach-Kennzahl). Ein wesentlicher Teil der Verbrennungsluft wird in kräftigen Strömen durch eine Beeinträchtigu;igszone oder Beeinflussungszone stromauf von einer Brennstoffeinspritzzone eingeleitet, die in eine Brennkammer führt. Die kräftige Strahlwirkung erzeugt einen Druckabfall boi.in Eintritt in die Beeinträchtigungszone, was das-iu führt, daß ein Teil der gasförmigen Verbrennungsprodukte? wieder im Kreislauf in diese Zone zurückgeführt werden, wo sie die Luft vor dem Zusammentreffen mit dem eingesprühten Brennstoff bc-einf?.ussen und chemisch ändern. Während dieser

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Rückführung werden die Verbrennungsprodukte einem nützlichen Wärmeaustausch unterworfen, so daß sie gekühlt werden, vor-» zugswese unter 427°C (80O⁰F.), bevor sie in die Beeinträchtigungszone eintreten. Ein kleinerer Teil der Verbrennungsluft kühlt die Brennstoffdüse und tritt dann in die Brennstoff-Einspritzzone als Strahlen ein, die in Richtung auf die Brennkammer gerichtet sind. Eine wirksame stabile blaue Flamme wird erzeugt mit verhältnismäßig v,^renig Übersclmsssauerstcff; es erfolgt eine diffuse Verbrennung ohne daß örtliche heiße Zonen entstehen, die eine erhöhte NO-Bildung verursachen würden, und ohne Zündung oder beginnende zeitweilige Instabilitäten».Viele herkömmliche Bauteile zur Behandlung der Luft und des Öls können unmittelbar bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden, beispielsweise Kraftstoffpumpen, Gebläse _s Motoren und Brenn^toff-Zerstäubungsdüsen·

T/eitere Merkmale _t Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung ■ von Ausführungsbeispielen und der- Zeichnung.

Es zeigen: -

Fig. 1 eine Seitenansicht im Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen. Vorrichtung,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 1,

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Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung von Teilen der Fig. 1, Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 1,

Fig. 6 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Brenner mit einem anderen V/ärmetauscher und Heizungssystem,

Fig. 7 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Brenner mit noch einem anderen Wärmetauscher und Heizungssystem, und

Fig. 8 Diagramme, die die Ergebnisse von Bewertungstests ^u zeigen, wobei ein erfindungsgemäßer Ölbrenner mit einem herkömmlichen Gelbfli'mmenbrenner verglichen wurde.

In Fig. 1 ist ein aus einem Blaubrenner und einem Wärmetauscher bestehendes erfindungsgemäßes System gezeigt, das einen Brenner 10 aufweist, dessen Rohr auf einen Wärmetauscher 12 gerichtet ist, der mit einem Wasserkessel oder einem Heißlufterhitzer 14 in Verbindung steht. Nachfolgend wird der Begriff "Kessel" für verschiedene Einrichtungen zum Erhitzen von strömungsfähigen Medien verwendet, wie Wasser, Dampf, Luft oder andere Wärmetauschniedien.

Der Brenner 10 weist ein Gehäuse 16 auf, das an einem Befestigungsflansch 18 an einem Aufnahmeabschnitt 20 angebracht ist, der mit einer Öffnung 22 im Kessel 14 an Stelle eines herkömmlichen Gelbbrenners ( Brenner zur Erzeugung einer gelben Flamae) angebracht ist.

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Das Gehäuse 16 weist einen unteren Abschnitt 24 auf, an dem ein Elektromotor 26 (Fig. 2) angebracht ist mit einem Gebläserad 28, das auf einer Welle 30 in dem Gehäuseabschnitt 24 angebracht ist. Auf dem Gehäuseabschnitt 24 ist eine Brennstoff Versorgungseinheit 32 angeordnet, die eine Brennstoff-• pumpe für flüssigen Kohlenwasserstoff aufweist, die durch die Welle 30 angetrieben wird; der flüssige Brennstoff wird durch eine Leitung 34 zugeführt.

Eine einstellbare Schraube 36 steuert die Brennstoffzufuhr durch eine Leitung 36; ein Rohr 40 mit einem Verbindungsstück 42 zu einer axialen Brennstoffleitung 44 (Fig. 1) erstreckt sich nach vorn zu der Brennstoff-Zerstäubungseinrichtung 46, die als Sprühdüse dargestellt ist,

Damit man die Düse und die Zündelektrodeneinheit abnehmen kann, sitzt das Rohr 40 abnehmbar in Ausnehmungen 49 (Fig. 1) in dem Gehäuse 16; eine lösbare Kupplung 39 (Fig. 3) ist vorgesehen. ■

Das Gehäuse 16 weist einen oberen Abschnitt .50 auf. Ein Zündtransformator 52 ist auf einer Klappe 54 angebracht, die mit einem Gelenk 56 angeschlossen ist. Ein Aufnahmeflansch 58 ist am vorderen Teil des oberen Abschnitts 50 vorgesehen.

Wie man in Fig. 2 erkennt, bildet der Gehäuseabsehnitt 50 einen Kanal für die Druckluft, die von dem Gebläserad 28 kommt. Die Luft tritt in das Gebläserad 28 durch den Lufteinlass 60 im unteren Gehäuse 24 ein. Eine Gebläsespirale 62 gibt die unter

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Druck stehende Luft durch den Gebläseauslass 64 in das obere Gehäuse 50 ab. Der von dem Gebläse 28 erzeugte Druck steht in einer Vorkammer oder Windkammer 66 zur Verfügung, die durch das obere Gehäuse gebildet wird. Aus der 'Windkammer 66 tritt die Verbrennungsluft durch ein festes Leitblech 68 aus (Fig. 1). In einer Endwand 70 dieses Leitblechs 68 sind mehrere Löchei- 72 konzentrisch um eine größere zentrale Öffnung 74 angeordnet. Ein bogenförmiger Schlitz 76 (Fig. 5) erstreckt sich teilweise um die zentrale Öffnung. Die Seitenwand 78 des Leitblechs 68 passt eng in den Rohrabschnitt 20. Ein Flansch 80 an dem Leitblech berührt den Aufnahmeflansch 18, wie in Fig. 1 dargestellt.

Mit diesem Leitblech 68 steht ein einstellbares (drehbares) Leitblech 82 in Verbindung, das auf einem Tragrohr 84 (Fig. 3) angebracht ist. Mehrere Löcher 86 sind in dem einstellbaren Leitblech vorgesehen; sie fluchten mit den entsprechenden Löchern 72 (Fig. 5). Das Tragrohr 84 erstreckt sich nach vorn durch die zentrale Öffnung 74 (Fig. 4) in dem festen Leitblech, wobei das Tragrohr konzentrisch um die Brennerachse angeordnet ist.

Am vorderen Ende des Tragrohres 84 ist ein Ring 88 mit einer konzentrischen Büchse 90 gezeigt. Diese Büchse 90 trägt die Düse 46 und deren Brennstoffleitung 44 konzentrisch innerhalb des Hauptrohres 20. Eine Druckfeder 92 liegt an einem Anschlag 94 (siehe auch Fig. 3) auf der Brennstoffleitung 44 an und drückt das Leitblech 82 gegen die Wand 70, Die Feder 92 drückt nach vorne auf einen Sitz 95 (Fig. 4) auf einem

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Elektrodenträger 96, der mit einer Ausnehmung 97 das hintere Ende des Tragrohres 84 umgreift. Der Träger 96 ist bei 93 mit dem Rohr 84 verkeilt. Eine Bohrung 98 nimmt lose die Brennstoffleitung 44 der Düse auf und hält diese Leitung konzentrisch innerhalb des Tragrohres 84.

Wie in Fig. 4 gezeigt wird im Betrieb die unter Druck stehende Luft in der Kammer 66 in zwei Teile aufgeteilt; ein kleinerer Teil 99 strömt in das Tragrohr 84 durch mehrere kleine Öffnungen 100, die hinter dem Leitblech 68 angeordnet sind. Ein größerer Teil 101 der unter Druck stehenden Luft strömt nach vorne durch die Löcher 72 und bildet dadurch mehrere konzentrische, im Abstand verlaufende kräftige Luftströme 102,, die nach vorne in eine Ringzone 104 gerichtet sind, die das Tragrohr 84 vor dem -Leitblech 68 kreisförmig umgibt. Der kleinere Teil 99 dieser Verbrennungsluftströmung ist vorzugsweise geringer als ungefähr 15% des größeren Teils 101 der Luftströmung. Vorzugsweise umfassen die beiden Luftströmungen 99 und 101 die gesamte Verbrennungsluft, die der Brennkammer 106 zugeleitet wird, die mit dem Wärmetauscher 12 (Fig. 1) in Verbindung steht.

Um den Hauptluftstrom 101 einzustellen, ist ein Arm 108 auf dem Elektrodenträger 96 vorgesehen. Die Einstelleinrichtung weist eine gerändelte Kopfschraube 110 mit einer Mutter auf (Fig. 2 und 3), die an einer Seite des Armes 108 anliegt. Ein Zapfen 114 liegt ebenfalls an dem Arm 108 an mit einem vergrößerten Abschnitt 115, wobei eine Feder 116 gegen den vergrößerten Abschnitt 115 drückt, um den Zapfen 114 gegen

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den Arm 108 zu drücken. Durch Drehen der Schraube 110 kann die Stellung der Löcher 86 relativ zu den festen Löchern 72 eingestellt werden.

Da der Ausgangsdruck des Gebläses in der Windkammer 66 zur Verfügung steht, um die Strahlen 102 zu erzeugen, hat jede Druckänderung in der Brennkammer 106 nur einen unbedeutenden Einfluss auf diese Strahlen. Plötzliche Abwartsströmungen im Kamin oder Rauchrohr an windigen Tagen, die Druckänderungen in der Brennkammer 106 verursachen, beeinflussen daher den Brennerbetrieb nicht nachteilig.

Ein Paar von Zündelektrodenstangen IIS erstrecken sich durch keramische Isolierbüchsen 120, die in Ausnehmungen des Bauteils 96 mittels einer Kleramstange 124 festgeklemmt sind, die durch eine Schraube gesichert ist. Die hinteren Enden dieser Stangen 118 bilden federnde Kontakte 128, die in Berührung mit den entsprechenden Hochspannungsansc-hlüssen (Fig. 1) stehen, wenn die Klappe 54 geschlossen ist. Die Federeigenschaft der Kontakte 128 erlaubt es, das Bauteil 96 in seiner Stellung einzustellen, ohne den Kontakt zu unterbrechen.

Die Elektrodenstangen 118 erstrecken sich durch Öffnung 86 in dem drehbaren Leitblech 82 und durch den bogenförmigen Schlitz 76 in dem ortsfesten Leitblech 68. An ihren vorderen Enden sind die Elektrodenstangen 118 so gebogen, daß sie konvergierende Elektrodenspitzen 132 bilden (Fig. 3). In Fig. 4 sind die Elektroden 118 weggelassen, um die Wirkungsweise klarer zu zeigen. Die Stelle des Zündfunkens ist durch das Plus-Zeichen in einem kleinen Kreis gezeigt.

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Wie man in Fig. 4 sieht, strömt der kleinere Teil 99 der unter Druck stehenden Luft in das Düsentragrohr 84 und fließt innerhalb des Rohres 84 nach vorn, um die Brennstoffleitung 44 und die Düse zu kühlen. Diese Kühlluft 99 tritt durch mehrere kleine Löcher 133 (Fig. 4) in dem vorderen Ring oder Nasenring 88 aus. Dieser Nasenring 88 ist vorzugsweise nach hinten und radial nach aussen von der Düsenspitze kegelig ausgeführt, so daß die Luftströme 135 stromabwärts divergieren. Diese Sti'öme 135 bestehen aus nichtbeeinträchtigter (unverdünnter) Luft und unterstützen die Zündung und die Aufrechterhaltung einer stabilen blauen Flamme jenseits der Öffnung 136 des Brennstoffeinspritzbereichs 105. Durch das Divergieren der Ströme 135 (Fig. 4) erhält man eine Diffuse und gleichförmige blaue Flamme in der Brennkammer 106, wodurch eine bessere Wärmeübertragung und elati stabilere Verbrennung über einen größeren Bereich von Betriebszuständen erreicht wird.

Eine konzentrische Büchse 134 aus Metall, umgibt den vorderen Abschnitt des Rohres 84, um eine ringförmige Luftbeeinträchtigungszone (Zone chemischer Veränderung) 104 zu bilden und einen Abschnitt einer Kreislaufbahn zu begrenzen. Diese Mischbüchse 134 erstreckt sich stromabwärts über' die Düse 46 hinaus und begrenzt den stromabwärts gelegenen Bereich 105 der Brennstoffeinspritzung, in den der Brennstoff-Sprühstrahl 48 eingespritzt wird. Vorzugsweise geht der Brennstoff-Sprühstrahl 48 an der Lippe 136 an der Öffnung der Büchse 134 vorbei. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Durchmesser der Brennstoffeinspritzzone 105 größer als ihre Länge L, axial gemessen von der Düse 46 bis zur Öffnung 136.

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An der Büchse 134 ist an ihrer Öffnung 136 ein radialer Flansch

138 od, dgl« angebracht, der durch eine hitzebeständige Isolierlage 137 bedeckt ist, die durch eine Schulter 141 gehalten wird. Dieses Bauteil 138 dient als Ablenkeinrichtung, damit die Verbrennungsprodukte im Kreislauf über nicht isolierte Wärmetauscherflächen des Kessels 14 geführt werden. Die Ablenkeinrichtung 138 und die Büchse 134 bilden eine Kreislaufbahn 139 und 140 von geringem Druckabfall für die gasförmigen Verfcrennungsprodukte, die im Kreislauf zurück in die ringförmige Zone 104 geführt werden. Diese im Kreislauf geführten Verbrennungsprodukte sind durch die Pfeile 142-1, 142-2 und 142-3 dargestellt.

Die Kreislaufbahn 139 und 140 weist einen ringförmigen Abschnitt

139 auf, der sich radial nach innen längs der freiliegenden metallischen Wand 144 des Flüssigkeitsmantels 146 des Kessels 14 erstreckt. Dort liegt auch der zylindrische Abschnitt der Kreislaufbahn.

Wie in Fig. 1 gezeigt, kann eine Wärmeisolierung 150 vorgesehen sein, die die Brennkammer 106 umgibt. Die Rückseite der Brennkammer 106 kann durch eine abnehmbare Wandplatte 152 bedeckt sein, die einen Kanal 154 für heiße Verbronnuugsgase bildet, die durch Rohrwärmetauscherelemente 156 in eine Rauchkammer 158 und durch einen Kaminzug 160 strömen.

Die Büchse 134, das Bauteil 138 und die Isolierung 137 können zusammen mit Abstandsrippen 162 als Montagesatz zum nachträglichen Einbau in bestehende Kessel 14 ausgeführt sein.

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Wie in Fig. 4 gezeigt, erzeugen die zahlreichen, in den Abschluss der Luftbeeinträchtigungszone 104 eintretenden Strahlen 102 einen niedrigen Druck in dem Bereich 164 nahe den Löchern 72. Dieser niedrige Druck im Bereich 184 bewirkt, daß gas— förmige Verbrennungsprodukte im Kreislauf geführt werden, wie durch die Pfeile 142-1, 142-2 und 142-3 dargestellt ist. Diese im Kreislauf geführten Gase 142 bewegen sich in sehr wirksamer Wärmetauscherbeziehung mit den freiliegenden metallischen Wänden 151 und 144. Durch diesen wirksamen Wärmeaustausch wird erreicht, daß die im Kreislauf geführten Gase 142-3 am Abschluss der Büchse 134 eine Temperatur von vorzugsweise unter 427°C (800⁰F.) haben.

Die Strahlen 102 führen einen wirkungsvollen Impulsaustausch mit -den im Kreislauf geführten Gasen.142-3 aus, wodurch erreicht wird, daß eine große Menge von im Kreislauf geführten Verbrennungsgasen sich nach vorn durch die Zone 104 bewegen und dadurch eine vollständige Durchmischung der Verbrennungsluft (in den Strahlen 102) und der im kreislauf geführten Gase 142-3 erreichen. Dadurch wird die Verbrennungsluft beeinflusst und ihre chemische Zusammensetzung wird geändert, indem eine Mischung mit den gekühlten rückgeführten Gasen 142-3 stattfindet.

Diese Beeinflussung und chemische Änderung des größten Teils der Verbrennungsluft erfolgt in der ringförmigen Zone 104, bevor die beeinflusste Luft die stromabwärts gelegene Brennstoffeinspritzzone 105 erreicht. Die beeinflusste Luft und

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der Brennstoffsprühstrahl 48 mischen sich vollständig in der Zone 105. Da der größte Teil der Verbrennungsluft, nämlich ungefähr 80 bis 90%, beeinflusst wurde, bevor er den Brennstoff erreicht, besteht kaum eine Möglichkeit für den Brenner 10, in den Zustand einer Gelbflainiaenverbrennung zu fallen, wenn Windstöße am Rauchrohrauslass auftreten, oder trotz einer Einstellung in einem weiten Bereich von Brennzuständen.

Die nicht beeinflussten Luftstrahlen 135 erzeuge» eine Wirbelströmung 166 nahe dem Nasenring 38, so daß ein Nebel von kleinen Brennstofftröpfchen aus dem Sprühstrahl 48 in den Zündfunken gezogen wird und eine sofortige Zündung des Brennstoffs eintritt. Die Flämmenfront bewegt sich schnell stromabwärts und die Flamme bildet sich in der Brennkammer 106 aus.

Die plötzliche Erweiterung der Querschnittsfläche der Strömungsbahn stromabwärts von der Öffnung 136 bewirkt die Bildung eines nach hinten gerichteten Wirbels 168 der blauen Flamme. Dieser nach hinten gezüchtete »'irbel 168 erstreckt sich um die Öffnung 136; er hält und stabilisiert die blaue Flamme in der Brennkammer 106. Die divergierenden, nicht beeinflussten Luftstrahlen 135 sind vorzugsweise so gerichtet, daß sie an der Lippe 136 vorbeigehen und an dem Wirbel 168 vorbeiströmen, so daß eine sehr geringe Sauerstoffanreicherung in dem stabilisierenden Wirbel 168 erreicht wird; dies ist von Vorteil für die Erhaltung der blauen Flamme und um die Diffusion der Flamme durch die Brennkammer 106 zu unterstützen. Die Luftstrahlen 135 divergieren vorzugsAveise mit einem Winkel von 30 bis 60° und bewirken damit auch, daß der Brennstoff-Sprühstrahl vorzugsweise in im wesentlichen den gesamten Querschnitt der beeinflussten Luftströmung diffus verteilt wird, die aus der Brenneröffnung 136 austritt.

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Fig. 6 zeigt den Brenner 10 mit einem anderen Kessel 14A, ein Wassererhitzer weist eine Zufuhrleitung 190 und eine Heißwasserversorgungsleitung 192 auf. Die Form des Heißwasserbehälters 146 ist typisch; sie weist eine blanke konkave metallische Fläche 151 auf. Die Brennkammer 106 ist durch 'Isoliermaterial 150 begrenzt, das in einer metallischen Pfanne 196 mit Glasfaser-Isoliermaterial 198 getragen wird, das die Kammer 106 umgibt. Eine Ablenk-Wandplatte 200 erstreckt sich um das obere Teil der Kammer 106. Die heißen gasförmigen Verbrennungsprodukte treten in einen Kopfraum 194 ein, wo ein Wärmetausch mit der Fläche 151 stattfindet, und werden nach unten umgelenkt. Die Umlenk-Wandplatte 200 leitet die Gase wieder nach oben in einen ringförmigen Kanal 202 und nach aussen durch den Rauchrohrkanal 160. Ein äussere° isolierendes Gehäuse 204 umgibt den Kanal 202.

Ein hohles ringförmiges Bauteil 206 umgibt das Abschlußende der Mischbüchse 134 und begrenzt eine ringförmige Kreislaufkammer 140. Das hohle Bauteil 206 weist einen Leitungsabschnitt 208 auf, der einen Kanal 139 bildet, der mit der Kammer 140 und dem Raum 194 in Verbindung steht.

Es tritt eine plötzliche Querschnittserweiterung in der Brennkammer 106 jenseits der Lippe 136 an der Öffnung des Brenn- j stoff-Einspritzbereiches 105 auf, so daß der nach hinten ge- | richtete ringförmige Wirbel 168 entsteht. Wie oben dargestellt, [ unterstützt dieser nach hinten gerichtete Wirbel 168 die Auf- J rechterhaltung einer stabilen blauen Flamme in der Brennkammer f 106. . .-.-■ I

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Ein Teil der gasförmigen Produkte wird nach unten durch die Kanäle 139 und 140 durch die zahlreichen Luftstrahlen des Brenners 10 gezogen und strömt in die Zone 104, wo die Beeinflussung und chemische Änderung der Luft erfolgt.

Fig. 7 zeigt den Brenner 10 mit einem kompakten Kessel 14B mit einer Zufuhrleitung 190, die mit einer Schlange 222 eines Wärmetauschers 12 verbunden ist. Die Schlange 222 steht in Verbindung mit einer Heißwasser-Versorgungsleitung 192. Dieser Kessel 14B weist ein erstes längliches zylindrisches Bauteil 224 aus starrem Isoliermaterial 150 auf, das die Brennkammer 106 bildet. Es tritt eine plötzliche Querschnittserweiterung stromabwärts von der Lippe 136 der Büchse 134 auf, wodurch der nach hinten gerichtete Wirbel 168 in der Brennkammer 106 gebildet wird.

Das erste zylindrische Bauteil 224 wird durch Abstandhalter 228 aus isolierendem Material konzentrisch innerhalb eines zweiten größeren länglichen zylindrischen Bauteils aus Isoliermaterial 150 gehalten. Die Bauteile 224 und 232 sind mit Abstand zueinander angeordnet, um einen im wesentlichen ringförmigen zylindrischen Kanal 234 zu bilden, der mit dem Ende der Kammer 106 im Abstand von der Brennstoff-Einspritzzone 105 in Verbindung steht. Das Bauteil 234 hat einen metallischen Mantel 236, der durch Träger 238 mit einem zylindrischen metallischen Gehäuse 240 verbunden ist.

Das zweite Bauteil 232 und das Gehäuse 240 begrenzen einen Raum 241 für die Schlange 222; dieser Raum steht mit der Auslasskaramer 242 und dem Kanal 160 in Verbindung. Das Gehäuse hat eine Endabdeckung 244.

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Ein, vorteilhafter Wärmeaustausch- erfolgt zwischen den Gasen in der Kreislaufbahn 139 und 140 und der durch ein strömendes Medium gekühlten, die Wärme ableitenden Schlange 222, so daß die im Kreislauf zurückgeführten Gase vorzugsweise auf eine Temperatur unter 427°C (800°F_s) abgekühlt werden^ bevor sie in die Zone 104 eintreten _s wo- die Luft beeinflusst und chemische geändert

Vorzugsweise "tritt eine-erhebliche Druckdifferenz zwischen der Verbindungsstelle der Kanäle 234 und 139 und dem" Bereich 164 mit niedrigem Druck nahe den kräftigen Luftströmen auf, die in die Zone 104 eintreten j dadurch- wird eine sehr wirksame Eückströmung der gekühlten Yerlbrennungsprodukte auf der Bah» 139 und 140 bewirkte

Das Diagramm in FIg₀ 8 zeigt die Wirkung von Überschussluf t auf die Emission von Stickstoffoxid NO (Linie 252) und die Emission von Kohlenmonoxid CO '(Linie 253) für einen.herkömm- liehest Ölbrenner-mit einem Flammenhaltekopf _e der einen üblichen Freiluft-Wasserkessel heiztj "die Linien256 und 257 gelten für einen erfiiidußgsgemäßen Brenner, der den gleichen Wasserkessel heizte Dieser Wasserkessel ist dahingehend abgewandelt worden, daß die Isolierung nahe der Öffnung 22 abgekratzt wurde_s wie in Fig_e 4 bei 144 und 151 gezeigt. Beide Brenner wurden bei diesem Wasserkessel getestet, nachdem die Isolierung abgekratzt war₀ Diese Abänderung verringerte die. NO-Emission bei dem herkömmlichen Brenner unter den Wert, den man erhalten hätte, wenn die Isolation bei 144 und 151 vorhanden wäre| dies© Abwandlung veränderte daher

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die Eigenschaft des herkömmlichen Brenners nicht nachteilig· Beide Brenner wurden mit 2,84 bis 3,03 Liter (0,75 bis 0,80 gallon) pro Stunde mit Heizöl der Klasse 2 betrieben, wobei herkömmliche Hochdruck-Brennstoffzerstäubungsdüsen ve !'wendet wurden.

Das Diagramm in Fig. 9 zeigt die Rauchemission und den Kesselwirkungsgrad in Abhängigkeit von dem Luftüberschuss unter stetigen Betriebsbedingungen. Die Rauchemission (Linien 250 und 254) ist in Abhängigkeit von der Bachrach-Kennzahl dargestellt, die an der linken vertikalen Achse aufgetragen ist. Die Kesselwirkungsgrade bzw. Brennerv/irkungsgrade (Linien 251 und 255) sind an der rechten vertikalen Achse aufgetragen.

Als unabhängige Veränderliche ist dev Luftüberschuss gewählt,

der als Prozentsatz eines stöchiometrischen Ve.aaitnisses von Luft zu Brennstoff angegeben ist. Beispielsweise bedeutet ein: Luftüberschuss von 10%, daß die Menge der dem Brenner zugeführten Luft das stöchiometrische Verhältnis um 10% überschreitet usw.·

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Verfahren zum Verbrennen flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoffs zur Erzeugung einer stabilen blauen Flamme mit *< geringer Emission von Stickstoffoxid und Makroteilchen (Feststoffteilchen), gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte

   a) feine Tröpfchen (48) eines, flüssigen Brennstoffes werden in eine Brennstoffeinspritzzone (105) gesprüht in einer Richtung zu einer Brennkammer (106), die stromabwärts von der Brennstoffeinspritzzone angeordnet ist,

   b) unter Druck stehende Luft (66) wird erzeugt, um Verbrennungsluft zu schaffen, .

   c) die unter Druck stehende Verbrennungsluft wird in einem kleineren Teil (99) und einem größeren Teil (101) aufgeteilt,

   d) der kleinere Teil der Verbrennungsluft wird in den Brennstoffeinspritzbere.ich nahe der Stelle eingeführt, wo der Brennstoff zersprüht wird,

   e) der Brennstoff-Sprühstrahl wird gezündet, um eine Verbrennung zu erreichen,

   f) der größere Teil der Verbrennungsluft wird durch mehrere, im Abstand angeordnete Öffnungen zugeführt, wodurch mehrere Luftstrahlen (102) erzeugt werden, die in einer Zone (104) geleitet-werden, wo die Luft beeinflusst und' chemisch geändert wird, die stromauf von dem Brennstoff-

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   einspritzbereich angeordnet ist, wobei die Luftstrahlen durch diese Zone in Richtung auf den Brennstoffeinspritzbereich gerichtet werden,

   g) die zahlreichen Luftstrahlen werden so angeordnet, daß sie einen Bereich (164) von veringertem Druck nahe den mehreren Öffnungen bilden, bezogen auf den Druck innerhalb der Brennkammer, wobei der Bereich verringerten Druckes am Eingang der Zone angeordnet ist, wo die Beeinflussung und chemische Änderung der Luft¹ erfolgt,

   h) ein Teil der gasförmigen Verbrennungsprodukte, die in der Verbrennungskammer erzeugt wurden, wird in einer Rückführbahn (139, 140) geleitet, die in Wärmeaustauschbeziehung (144, 151) mit einem Wärmetauscher steht, der durch ein strömungsfähiges Medium gekühlt wird, um die rückgeführten gasförmigen Produkte vorzugsweise auf eine Temperatur unterhalb 427°C zu kühlen,

   i) die gekühlten rück^eführten gasförmigen Produkte (142-3) werden in den Bereich verringerten Druckes geleitet,

   3) die gekühlten rückgeführten gasförmigen Produkte werden mit den mehreren Luftstrahlen in der Zone (104) gemischt, in der die Beeinflussung und chemische Änderung der Luft erfolgt, wenn der größere Teil der Verbrennungsluft durch diese Zone geleitet wird, und

   k) die beeinflusste Luft wird in dem Brennstoffeinspritzbereich geleitet, damit sich die beeinflusste und chemische geänderte Luft mit dem Brennstoff-Sprühstrahl und mit dem kleineren Teil der Verbrennungsluft in diesem Bereich mischt zur Vorbereitung und durch Mischung des Brennstoff -Sprühstrahls mit der beeinflussten Luft, wodurch die vorbereitete Mischung von eingesprühtem Brennstoff und beeinflusster Luft von diesem Bereich in die Brennkammer gelangt, um dort mit einer stabilen blauen Flamme

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   zu brennen, wodurch ein niedriger Wert der Stickstoff-. oxid-Emission und der Feststofftieilchen-Emission erreicht wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinere Teil von Verbrennungsluft in den Brennstoffeinspritzbereich in Form von mehreren Luftstrahlen (135) eingeführt wird, die nach aussen gerichtet sind, um eine radiale Diffusion des Brennstoff-Sprühstrahls zu unterstützen.

   3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine plötzliche Querschnittserweiterung (136) in der Strömungsbahn beim Übergang von dem Brennstoff-Einspritzbereich (105). in die Brennkammer (106) vorgesehen ist, wodurch ein nach hinten gerichteter Wirbel (168) von im wesentlichen kreisringförmiger Gestalt in der Brennkammer stromabwärts von dem Brennstoffeinspri+ ^bereicli erzeugt wird, und daß die zahlreichen Luftstrahlen (135), die in den Brennstoffeinspritzbereich überführt werden, nach aussen gerichtet sind und im wesentlichen in Richtung auf den nach hinten gerichteten Wirbel, um eine geringe Sauerstoffanreicherung in Zusammenhang mit dem nach hinten gerichteten Wirbel zu erreichen, um eine stabile blaue Flamme zu halten.

   4. Verfahren nach Anspruch Z₉ dadurch gekennzeichnet, daß die , feinen Tröpfchen von flüssigem Brennstoff in einem Sprühstrahl (48) versprüht werden, der stromabwärts in einer Richtung zur Brennkammer hin divergiert, daß die zahlreichen Luftstrahlen (135), die in den Brennstoffeinspritzbereich geführt werden, im Abstand um den divergierenden Brennstoff-Sprühstrahl angeordnet sind und nach aussen und stromabwärts divergieren, und daß der Brennstoff-Sprühstrahl an einer Stelle gezündet wird, die zwischen, dem- divergierenden Brennstoff-Sprühstrahl und den divergierenden Luftstrahlen liegt_f wodurch die divergierenden Luftstrahlen einen Nebel von feinen Brennst off-Tröpfchen aus dem Sprühstrahl in die Nach-

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   barschaft der Zündstelle ziehen, um.eine sofortige Zündung des Brennstoffes zu erreichen.

   5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone (104), in der die Beinflussung und chemische Änderung der Luft erfolgt, von kreisringförmiger Gestalt ist, daß die Zufuhr des größeren Teils der Verbrennungsluft in Form von mehreren Strahlen (102) erfolgt, die im Abstand in im wesentlichen kreisförmiger Anordnung liegen und in dieser ringförmigen Zone gerichtet sind, daß der kleinere Teil der Verbrennungsluft axial durch die ringförmige Zone erfolgt, und daß dann der kleinere Teil der Verbrennungsluft in den Brennstoffeinspritzbereich in Form von mehreren Strahlen (135) erfolgt, die um den Brennstoff-Sprühstrahl angeordnet sind.

   6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der gasförmigen Verbrennungsprodukte über eine Rückführbahn geleitet wird, die an einer Stelle nahe dem nach hinten gerichteten Wirbel (ΐ68) beginnt und nahe dem Bereich (164) verringerten Drucks endet.

   7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinere Teil (99) und der größere Teil (101) der unter Druck stehenden Verbrennungsluft (66) im wesentlichen die gesamte Luft darstellt, die in die Brennkammer eintritt, wodurch im wesentlichen die gesamte Verbrennungsluft in den Brennstoff-Einspritzbereich eintritt.

   8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise ein Brennstoffeinspritzbereich (105) vorgesehen Ast* der von zylindrischer Gestalt ist und dessen Durchmesser größer ist als seine Länge (L).

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   9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung des größeren Teils der Verbrennungsluft an den zahlreichen, im Abstand angeordneten Löcher (72) gedrosselt wird, um den Brennvorgang zu regulieren.

   10. Blaubrenner zur Verwendung bei einem durch einströmendes Medium gekühlten Wärmetauschersystem, der zur Verbrennung von flüssigem Kohlenwasserstoff-Brennstoff geeignet ist, zur Erzeugung einer stabilen blauen Flamme mit geringer Stickstoffoxid-Emission und geringer .Makroteilchen-Emission, gekennzeichnet durch

   eine zylindrische Büchse (134) mit einem hinteren Ende, das einen Abschluß bildet, und einem vorderen Ende, das eine Öffnung (136) bildet, wobei die zylindrische Büchse einen Brennstoffeinspritzbereich (105) bildet, der benachbart der ■öffnung angeordnet ist, wobei die Öffnung in eine Brennkammer (106) gerichtet ist, die durch den gekühlter «Wärmetauscher begrenzt wird,

   durch eine Brennstoffdüse (46) die innerhalb der Büchse angeordnet ist, und eine Brennstoffleitung (44) zur Zufuhr von flüssigem Brennstoff zu der Düse, wobei die Düse so ausge- ' richtet ist, daß ein Brennstoff-Sprühstrahl (48) in den Brennstoffr-Einspritzbereich gerichtet wird, wobei der Brennstoff-Sprühstrahl sich nach vorne in Richtung auf die Öffnung bewegt, -

   durch ein Brennergehäuse mit einer Luftkammer.(66)

   durch ein Gebläse (28), das mit dem Gehäuse in Verbindung steht und unter Druck stehende Verbrennungsluft zu der • Kammer führt, -

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   durch ein Luftrohr (84) das mit der Kammer in Verbindung steht und sich durch den Abschluß der zylindrischen Büchse hindurch in die Büchse erstreckt, um Luft von der Kammer in die Nachbarschaft der Brennstoffdüse zu führen, um die Düse zu kühlen,

   wobei die zylindrische Büchse von größerem Durchmesser ist als das Luftrohr, wodurch eine kreisringförmige Zone (104) innerhalb der Büchse gebildet wird, wobei die Zone das Luftrohr umgibt und mit der Brennstoff-Einspritzzone in Verbindung steht, durch Öffnungen (72), die nahe dem Abschluß der zylindrischen Büchse angeordnet sind und in Verbindung stehen mit der Kammer und eine Strahlströmung (102) der Verbrennungsluft erzeugen, die in und durch die ringförmige Zone in Richtung auf den Brennstoff-Einspritzbereich gerichtet ist, und

   durch.eine Zündeinrichtung (118) zur Zündung des Brennstoff-Sprühstrahls ,

   wobei die Brennkammer einen größeren Querschnitt hat als die Öffnung (136), und

   durch eine Einrichtung (138, 137), die eine Rückführbann (139, 140) zur Leitung eines Teils der gasförmigen Verbrennungsprodukte, die in der Brennkammer gebildet sind, zurück zu dem Abschluß der zylindrischen Büchse, wobei die Rückführbahn so gewählt ist, daß sie in Wärmetauschbeziehung mit dem vom strömenden Medium gekühlten Wärmetauscher steht, um die rückgeführten Gase zu kühlen, bevor diese den Abschluß der zylindrischen Büchse erreichen,

   wodurch eine stabile blaue Flamme in der Brennkammer stromabwärts von der Öffnung der zylindrischen Büchse erzeugt wird, die eine geringe Stickstoffoxid-Emission und eine

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   geringe Feststoffteilchen-Emission"hat,

   11. Brenner nach Anspruch 10 mit eine» durch ein strömungsfähiges Medium gekühlten Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, daß die die Rückführbahn begrenzende Einrichtung ein Ablenkblech (138, 137) aufweist, das im Abstand zu einer Fläche (151) des durch das strömungsfähige Medium gekühlten Wärmetauschers angeordnet ist, um einen Abschnitt der Rückführbahn zwischen dem Ablenkblech und der Fläche zu begrenzen. " ·

   12. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der durch das strömungsfähige Medium gekühlte Wärmetauscher ein erstes längliches zylindrisches Bauteil (224) aufweist, das die Brennkammer begrenzt, und daß die Büchse (134·) sich in die Brennkammer erstreckt_p die von größerer Querschnittsfläche ist als die Öffnung der Büchse.

   13. Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites größeres längliches zylindrisches Bauteil (2.32) aus Isoliermaterial um das erste Bauteil herum angeordnet ist, daß das erste und das zweite Bauteil radial und axial im Abstand angeordnet sind, um einen im wesentlichen kre±>ringförmigen zylindrischen Kanal (234) zu begrenzen, der mit dem Ende der/Kammer in Verbindung/steht, das der Öffnung der Büchse entgegengesetzt ist, dass ein Gehäuse (240) vorzugsweise aus wärmebeständigem -Metall um das zweite Bauteil herum angeordnet ist, daß das Gehäuse und das zweite Bauteil radial und axial im Abstand angeordnet" sind, um einen im wesentlichen kreisringförmigen Raum (241) zu begrenzen, der mit dem kreisringförmigen Kanal in Verbindung steht, daß eine Schlange (222) in dem kreisringförmigen Raum angeordnet ist, durch die ein aufzuheizendes Medium strömen kann, und daß die die - Rückführbahn begrenzende Einrichtung ein Verbindung zwischen dem Abschluß der Büchse

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   (134) und einer Stelle nahe der Schlange herstellt.

   14. Blaubrenner, der zum Zusammenwirken mit einer Brennkammer geeignet ist, die mit einer Einrichtung zum Erhitzen eines strömungsfähigen Mediums in Verbindung steht, die einen von dem strömungsfähigen Medium gekühlten Wärmetauscher aufweist, zur Verbrennung flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoffs, gekennzeichnet durch eine zylindrische Büchse (134) mit einem hinteren Ende, das einen Abschluß bildet, und einem vorderen Ende, das eine Öffnung (136) bildet, wobei die zylindrische Büchse einen Brennstoff-Einspritzbereich-(105) bildet, der nahe der Öffnung liegt,

   durch eine Brennstoffdüse (46), die innerhalb der Büchse angeordnet ist, und eine Brennstoffleitung (44) zur Zu- . fuhr von flüssigem Brennstoff zu der Düse, wobei die Düse So gerichtet 3?+·, daß sie einen Brennstoff-Sprühstrahl (48) in dem Brennsto££-Einspritzbereich bildet, wobei der Brennstoff-SprUhstrahl sich nach vorne in Richtung auf die Öffnung bewegt,

   durch ein Brennergehäuse mit einer Luftkammer (66),

   durch ein Gebläse (28), das mit dem Gehäuse in Verbindung steht und unter Druck stehende Verbrennungsluft zu der Kammer liefert,

   durch ein Luftrohr (84), das mit der Kammer in Verbindung steht und sich durch den Abschluß der zylindrischen Büchse und in diese Büchse erstreckt, um Luft (99) von der Kammer zu der Nachbarschaft der Brennstoffdüse zu leiten, um die Düse zu kühlen,

   wobei die zylindrische Büchse von größerem Durchmesser ist

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   als daa Luftrohr, so daß eine kreisringförmige Zone (104) innerhalb der Büchse und um das Luftrohr herum begrenzt wird, die in Verbindung steht mit dem Brennstoff-Einspritzbereich,

   durch Öffnungen (72), die nahe dem Abschluß der zylindrischen Büchse angeordnet sind und mit der Kammer (66) in Verbindung stehen und die eine Strahlströmung (102) der Verbrennungsluft erzeugen, die in und durch die ringförmige Zone (104) in Richtung auf den Brennstoff-Einspritzbereich gerichtet ist,

   durch eine Zündeinrichtung zum Zünden des Brennstoff-Sprühstrahls,

   wobei der Brenner so eingerichtet ist, daß die Öffnung der zylindrischen Büchse in eine Brennkammer (106) gerichtet ist, deren Querschnittsfläche größer ist als die der Öffnung und die mit einer Einrichtung zum Erhitzen von strömungsfähigem· Medium in Verbindung steht, die einen durch das Medium gekühlten Wärmetauscher (146, 222) und eine Ein-: richtung (138, 137) aufweist, die eine Rückführbahn (139, 140) begrenzt, um einen Teil der gasförmigen Verbrennungsprodukte, die in der Verbrennungskammer entstanden sind, zurück zum Abschluß der zylindrischen Büchse zu führen, wobei die Rückführbahn in Wärmeaustauschbeziehung mit dem vom Medium gekühlten Wärmeaustauscher verläuft, um die rückgeführten Gase zu kühlen, bevor sie den Abschluß der zylindrischen Büchse erreichen,

   wodurch eine stabile blaue Flamme in der Brennkammer stromabwärts von der Öffnung der zylindrischen Büchse erzeugt werden kann, die eine niedrige Stickstoffoxid-Emission und niedrige Feststoffteilchen-Emission aufweist.

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   15. Brenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Luftrohr (84) einen vorderen Abschnitt aufweist, der die Brennstoffdüse umgibt, wobei öffnungen (133) in dem vorderen· Abschnitt vorgesehen sind, um die Verbrennungsluft nach dem Kühlen der Düse als Luftstrahlen (135) abzugeben, die von dem Luftrohr in den Brennstoff-Einspritzbereich um den Brennstoff-Sprühstrahl austreten, und daß die Öffnungen und die Löcher so bemessen sind, daß ein kleinerer Teil (99) der Verbrennungsluft als Luftstrahl abgegeben wird, der in den Brennstoff-Einspritzbereich eintrete.

   16. Brenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische-Büchse (134) ein verhältnismäßig großen Durchmesser und eine geringe Gesamtlänge hat, wobei das Verhältnis der Länge zum Durchmesser nicht mehr als 2:1 beträgt.

   17. Brenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine einstellbare Luftzumesseinrichtung mit den öffnungen (72) in Verbindung steht, um die Strömung der Verbrennungsluft durch diese öffnungen einstellbar zu drosseln, und daß eine Steuereinrichtung (110, 114) vorgesehen ist zur Einstellung der Zumesseinrichtung.

   18. Brenner nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (133) so angeordnet sind, daß sie die zweite Luftströmung in Form von mehreren Luftstrahlen abgibt, die nach aussen um den Brennstoff-Sprühstrahl herum gerichtet sind.

   19. Brenner nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung die mehreren Luftstrahlen nach aussen um den Brennstoff-Sprühstrahl herum richten, so daß die Strahlen in einem eingeschlossenen Winkel von 30° bis 60° divergieren _r

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