DE2432330A1

DE2432330A1 - Brenner mit hoher austrittsgeschwindigkeit der gase

Info

Publication number: DE2432330A1
Application number: DE19742432330
Authority: DE
Inventors: Michel Douspis; Raymond Henri Paul Louis
Original assignee: Gaz de France SA
Current assignee: Engie SA
Priority date: 1973-07-06
Filing date: 1974-07-05
Publication date: 1975-01-23
Also published as: DE2432330C2; FR2236394A5; BE817170A; ES428039A1

Description

PATENTANWÄLTE

. H. LEINWEBER dipl-ing. H. ZIMMERMANN

DIPL..ING. A. Gf. v. WENGERSKY 2 A 3 2 3 3 O

8 München 2, Rosental 7, 2.

Tei.-Adr. Lefnpat München Telefon (089) 2603989

Postscheck-Konto: München 220 45-804

den 5. Juli 1974

Unser Zeichen

we/Wy/Sd/C/25.132

GAZ DE FEANCE, Paris/Frankreich

Brenner mit hoher Austrittsgeschwindigkeit

der Gase

Die Erfindung betrifft einen Brenner mit hoher Austrittsgeschwindigkeit der Gase, bei dem die verbrannten Gase auf eine hohe Temperatur gebracht werden können.

Für die Heizung von. Industrieöfen reicht sehr häufig eine einfache Wärmezufuhr nicht aus, weil bestimmte Eigenschaften der Heizung gefordert werden.

Wenn Wärmezufuhr durch Konvektion angestrebt ist, z.B. um kompliziert geformte, unterteilte Chargen homogen zu erhitzen, versucht man, die Ofenluft maximal umzuwirbeln.

Zu diesem Zweck kann man Wirbelturbinen verwenden, was jedoch nur für tiefe Temperaturen möglich ist, z.B. für Trockenofen. Bei Anwendung unter höheren Temperaturen verwendet man häufig Brenner mit hoher Abflußgeschwindigkeit der Verbrennungsprodukte, die sog. Düsenbrenner.

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Diese Brenner, die mit einem Vorgemisch oder mit Luft · und Gas gespeist werden, die dann getrennt voneinander zugeführt sind, umfassen eine Brennkammer mit eingeschnürter Austrittsöffnung. Die verbrannten Gase treten mit hoher Geschwindigkeit aus, nämlich je nach Brenner mit einer Ausstoßgeschwindigkeit von ungefähr 100-200 m/sek.

Die Brennkammer und die Austrittsöffnung der herkömmlichen Brenner bestehen aus feuerfesten keramischen Materialien. Aufgrund der Temperatur und der Geschwindigkeit, mit der die Verbrennungsgase in Berührung mit diesen Materialien kommen, sind diese einem sehr intensiven Wärmeaustausch und einem sehr großen Wärmeschock ausgesetzt, wodurch diese feuerfesten Teile zu den schwachen Stellen der Brenner werden. Die Wände der Aus- ■ trittsöffnung eines solchen Brenners müssen beispielsweise innerhalb von einigen zehn Sekunden nach Zündung auf eine Temperatur von ungefähr 1700⁰C gebracht werden. Im übrigen hat die Erfahrung gezeigt, daß der feuerfeste Block häufig rissig wird, nachdem er die ersten paar Male erhitzt wurde; die verbrannten Gase oder die in Verbrennung befindlichen Gase treten dann seitlich aus und vermindern dabei die Geschwindigkeit der Gase am : Eingang in den Ofen. Weiterhin besteht die Gefahr, daß die Be-' schlage der Ofenwände beeinträchtigt werden. *

■ Eine teilweise Lösung dieser Probleme ist dadurch erziel-·

ι bar, daß der feuerfeste Block an seiner Außenseite durch Stahl-

; blech verkleidet wird; diejenigen Nachteile, die sich durch eine)

j Verlagerung der Wände der Austrittsöffnung ergeben, können je- ·

dcjxh nicht ausgeschaltet werden. j

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Diese Schwierigkeiten können vermieden werden, wenn gemäß der Erfindung ein Brenner mit einem rohrförmigen Zentralofen verwendet wird, der eine Brennkammer bildet, in die das Gemisch aus brennbarem Gas und Sauerstoffträgergas, gewöhnlich Luft, entflammt eingelassen wird, wobei zumindest ein' Teil des Sauerstoffträgergases vor seinem'Eintritt in die Brennkammer vorerwärmt wird, indem es in einen Ringraum zwischen '. der Außenwand des rohrförmigen Zentralofens und einem letzte- , ren umgebenden Außenrohr einfließt, wobei der rohrförmige Zentralofen an seinem Austrittsende, in einem Teil ausläuft, der zum Erhöhen der Austrittsgeschwindigkeit die Querschnittseinschnürung des Gasaustritts gewährleistet, und der sich insbesondere dadurch auszeichnet, daß das vorerwärmte Sauerstoffträgergas nach dem Vorheizen im Bereich des Austrittsendes der Brennkammer durch auf geeignete V/eise geneigte Löcher ausfließt, die die Zentrifugierung des an dieser Stelle eingelassenen Sauerstoffträgergases gewährlei-sten. Vorteilhafterweise sind diese Löcher in unmittelbarer Nähe der Innenwand ' die's es Teils hinter der die Querschnittseinschnürung der Austrittsöffnung des Brenners gewährleistenden Versetzung vorgesehen. · ·

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Aufgrund dieser Anordnung wird das Sauerstoffträgergas auf der Höhe der Einschnürung des Austritts für die aus der Brennkammer austretenden verbrannten Gase in schnelle Drehung versetzt. Durch diese Rotation wird das Sauerstoffträgergas einer Zentrifugalwirkung ausgesetzt und wird im Bereich der Austrittsöffnung . gegen die Wand der Brennkammer geschleudert. Die Zentrifugierung bewirkt gemäß der Dynamik der Strömungsmittel in diesem zentrifugierten Bereich des Strömungsmittelstromes einen Bereich höheren Druckes. Auf diese Weise wird das Sauerstoffträgergas gegen die Innenwand des \ rohrförmigen Zentralofens 'gedrückt und kehrt zu dieser Wand : im Gegenstrom der verbrannten Gase bis zum Anfang der Brenn- '. kammer zurück, wodurch gewissermaßen ein Mantel aus verhältnis-j mäßig frischem Sauerstoffträgergas erzeugt wird, der mit der ' Wand des rohrförmigen Zentralofens in Berührung steht und so eine sehr wirksame Kühlung dieses Rohres und der Austritts- ■ Öffnung für die verbrannten Gase sicherstellt.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Auf der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigen: " ;

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Brenner gemäß der ι Erfindung, und J

Fig. .2 einen Schnitt in einer Ebene II-II der Fig. 1 .

zum Veranschaulichen des am Vorderende des Brenners montierten Teils.

; Gemäß der auf der Zeichnung dargestellten Ausführungs- ! form umfaßt der Brenner im wesentlichen einen rohrförmigen

Zentralofen 10, in dessen Inneren die eigentliche Brennkammer ! 11 des Brenners untergebracht.ist. Der rohrförmige Zentral-I ofen 10 ist im Inneren eines dazu koaxialen äußeren Rohres 12

montiert, das die seitliche Außenwand des Brenners bildet. Am Vorder- oder Austrittseude_AV des Brenners ist ein - 5 -

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Teil 13 vorgesehen, der die Austrittsöffnung 14 verminderten Querschnittes aufnimmt.

Das zu verbrennende Gas wird in Pfeilrichtung G- durch eine Zuleitung 15 zugeführt, die eine das Hinterende des Brenners unter Abdichtung verschließende Haube 15 durchsetzt. Gemäß der dargestellten Montierung gewährleistet eine Verschlußschraube 17 mit einer Dichtung 18 die Abdichtung des Durchtritts der Zuleitung 15 durch die Verschlußhaube 16.

Da das Außenrohr 12 langer ist als der rohrförmige zen-^ trale Ofen 10 wird das Sauerstoffträgergas, z.B. Luft, in Pfeilrichtung A durch eine Leitung 19 eingeführt, die in Querrichtung in eine Kammer 20 am rückwärtigen Ende des Außenrohres 12, und zwar hinter dem offenen Ende des rohrförmigen Zentralofens 10, mündet.

Ein mit Löchern 23 durchsetzter Teil 21, der die Rückwand der Brennkammer 11 bildet, ist auf die Zuleitung 15 aufgesetzt. Gegenüber den Löchern 23 liegen Gegenbohrungslöcher 24 mit größerem Durchmesser, die jedoch nicht die gesamte Dicke des Teils 21 durchsetzen.

Unter einem gewissen Abstand hinter dem Teil 21 ist ein zweiter, scheibenartiger Teil 22 angeordnet, der von Löchern 25 durchbohrt ist. Die beiden Teile 21 und 22 sitzen auf einer Muffe 26, die selbst im Innern des rohrförmigen Zentralofens 10 an dessen rückwärtigen Ende montiert ist.

Der am Vorderende des Brenners montierte Teil 13 ist wie insbesondere in Fig. 2 veranschaulicht - von geneigten Öffnungen 27 durchsetzt, bezüglich deren präzisen Lage, Anordnung und Ausbildung auf Fig. 2 verwiesen wird.

Weiterhin sind in die Wand des rohrförmigen Zentralofens 10 Löcher 28 eingebohrt, und zwar unmittelbar vor dem Teil 21.

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Wie Fig. 1 deutlich zeigt, können die verschiedenen den ' Brenner bildenden Teile lösbar miteinander verbunden sein. ' Diese Teile können zum Großteil gewaltsam eingesteckt und angeschweißt oder angeschraubt sein. Da die Kühlung des Brenners gemäß der Erfindung sehr wirksam ist, können sämtliche Teile aus einem geeigneten Metall, beispielsweise Stahl; bestehen, ohne daß deshalb Probleme hinsichtlich des Verhaltens einer der verwendeten Teile auftreten.

,Der,Brenner gemäß der Erfindung arbeitet wie folgt: das /bauerstoiiträgergas , _Λ , ,

/z.B. Luft, wird unter Druck in die Kammer 20 eingeleitet. Da die Zuleitung 19 quer eingesetzt ist, wird die Verbrennungsluft im Außenrohr 12 mit hoher Geschwindigkeit in Drehung versetzt, so daß eine wirksame Kühlung der Rohrwand gewährleistet ist.

Gleichzeitig wird das Verbrennungsgas unter Druck in die Zuleitung 15 eingeführt.

Ein großer Teil der Verbrennungsluft wird in den Brenner in den Ringraum 30 zwischen dem Außenrohr 12 und dem rohrförmigen Zentralofen 10 eingelassen. Längs dieser Bahn gewährleistet: es die Kühlung des Außenrohres 12 sowie des rohrförmigen Zentralofens 10 und wird vorgewärmt^ Diese Fördermenge wird unter schneller Drehung durch die Löcher 27 in der Nähe der Rück- und, Innenwand des Teils 13 in die Brennkammer geschickt. Die sich . daraus ergebende Zentrifugierung gewährleistet gleichzeitig, . daß eine Strömung vorerwärmter Luft mit verhältnismäßig niedriger Temperatur und hoher Zirkulationsgeschwindigkeit gegen die Innenwand der Brennkammer geschleudert wird und daß andererseitß ein Überdruck erzeugt wird, durch den dieser Luftstrom entlang ^: der Innenwand der Brennkammer 11 wieder zurückströmen kann, wie dies durch die Pfeile angedeutet ist, die die unterschiedlichen Gasströmungen im Brenner zeigen. Auf diese Weise ist wirksam eine ausgezeichnete Kühlung des rohrförmigen Zentralofens 10 und gleichzeitig eine Wärmeisolierung seiner Wand durch

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ein Verbrennungsluftkissen zwischen der Wand der Brennkammer und den verbrannten Gasen erzielt.

Das reine Verbrennungsgas dringt in die Brennkammer 11 durch die Hauptinjektionsdüse 32 ein.

Andererseits ist zwischen den Teilen 22 und 21 eine Vormischkammer 33 gebildet, die durch Löcher 34 hindurch das Verbrennungsgas und durch Löcher 25 hindurch eine bestimmte Menge Verbrennungsluft aufnimmt. Dieses Luft-Gas-Vorgemisch wird in die Brennkammer durch die Löcher 23 und 24 eingelassen. Die gegengebohrten Loche/ (ihre genaue Gestalt kann Fig. 1 entnommen werden ) gewährleisten eine einwandfrei stabile Flamme,

Die in der Wand des rohrförmigen Zentralofens 10 praktisch auf der Höhe der Vorderwand des Teils 21 vorgesehenen Löcher 28 bilden einen zusätzlichen Lufteinlaß, der zur Kühlung des Brenners und zur einwandfreien Stabilität sowie zum einwandfreien Halten der Flammen am Teil 21 und der verschiedenen im Brenner umlaufenden Strömungsmittelströmungen beiträgt.

Bei einem derartigen Brenner erhält man am Ausgang der eingeschnürten Austrittsöffnung 14 einen Strahl verbrannten Gases 36 hoher Geschwindigkeit und sehr hoher Temperatur, ohne daß eines der den Brenner bildenden Teile einer hohen Temperatur ausgesetzt ist. So kann beispielsweise der aus dem Brenner austretende Strahl verbrannten Gases 36 eine Temperatur von ca. 1850⁰C aufweisen, ohne daß der heißeste Teil des Brenners,

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nämlich der Teil 13, eine Temperatur von 350 C übersteigt. j

Hinsichtlich der Dimensionierung des Brenners ist zu bemerken, daß für eine gegebene Leistung die Länge der Brennkammer und der Querschnitt der Austrittseinschnürung um , mindestens 100$ schwanken kann, ohne daß sie die Funktion '

des Brenners ändert. i

Desgleichen kann die Verteilung der Querschnitte der

verschiedenen Öffnungen praktisch um einen Optimalwert schwanken.

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Bezüglich des Ausstoßes ist der Brenner in seiner Funktion anpassungsfähig: . sein Ausstoß kann in einem Verhältnis 1 : 20 geändert werden; der Überschuß an zulässiger Luft zum Nennausstoß beträgt ungefähr 100$ und erreicht bei schwachem _; Ausstoß 350$.

Ein Brenner gemäß der Erfindung kann anstelle jede-s herkömmlichen Hochgeschwindigkeitsbrenners verwendet werden, i denn er stellt die dauerhafte Abdichtung der Brennkammer sicher*

Diese besonderen Charakteristiken machen den Brenner besonders geeignet für diejenigen Verwendungszwecke, die vom Brenner Festigkeitseigenschaften bei brutalen und dicht aufeinanderfolgenden thermischen Zyklen erfordern, wie z.B.: ! schnelles Aufheizen eines Raumes mit anschließendem plötzlichen Abkühlen einzig und allein durch Einblasen von Luft. j

Es ist möglich, eine große Brennerlänge vorzusehen, ohne den die Verbrennung betreffenden Teil in irgendeiner Weise zu verändern. Das Einsetzen in dicke Mauerwerke ist also kein Problem und es sind keine besonderen Kunstsriffe notwendig) um zu vermeiden, daß die Energie der verbrannten Gase zwischen ^; dem Brenner austritt und dem Ofen verlorengeht, wie dies der Fall bei den herkömmlichen Brennern ist.

Gegebenenfalls kann der Brenner gemäß der Erfindung als Selbstrücklaufbrenner verwendet werden. ;

Zu diesem Zweck genügt es, die Verbrennngsprodukte nach j dem Durchlauf im Ofen zu sammeln, so daß sie um das Außenrohr * 12 herumgeleitet und in einen in Big. 1 gestrichelt dargestellten Mantel 40 eingeführt werden, bevor sie zum Ablaufkanal 41 abgeleitet werden. Die Abgase verlieren auf diese Weise j einen Teil ihrer großen Wärme, indem sie das Vorheizen der Ver- . brennungsluft gewährleisten.

Auf diese Weise ist also die Heizleistung erhöht.

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Claims

Patentanspr üche

Brenner mit hoher Austrittsgeschwindigkeit der G-ase zum Erzielen einer hohen Temperatur der verbrannten Gase, mit einem rohrförmigen Zentralofen (10), der eine Brennkammer (11) bildet, in die das Gemisch aus brennbarem Gas und Sauerstoff trägergas, gewöhnlich Luft, entflammt eingelaseen wird, wobei zumindest ein Teil des Sauerstoffträgergases vor seinem Eintritt in die Brennkammer vorerwärmt wird, indem es in einen Eingraum (30) zwischen der Außenwand des rohrförmigen Zentral-I ofens und einem letzteren umgebenden Außenrohr (12) einfließt, j wobei der rohrförmige Zentralofen an seinem Austrittsende in einem Teil (13) ausläuft, der zum Erhöhen der Austrittsgeschwinj digkeit die Querschnittseinschnürung des Gasaustritts gewährleistet, dadurch geisanzeichnet, daß das vorerwärmte Sauerstoffträgergas nach dem. Vorheizen im Bereich des Austrittsendes der j Brennkammer (11) durch auf geeignete Weise geneigte Löcher (27) ausfließt, die die Zentrifugierung des an dieser Stelle eingelassenen Sauerstoffträgergas gewährleistet.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (27) in unmittelbarer Nähe der Innenwand des Teils (13) hinter der die Querschnittseinschnürung der Austrittsöffnung (14) des Brenners gewährleistenden Versetzung vorgesehen *
3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich-i net, daß die Löcher (27) die zur Achse der Brennkammer (11) ; koaxiale kreisringförmige Umfangswand des Teils (13) durchsetzei, daß die Achsen der Löcher (27) alle in derselben zur Achse der j Brennkammer (11) senkrechten Ebene liegen, und daß die Achsen der Löcher (27) mit den jeweils in ihren Ausgangspunkt.gelegten Tangenten an die kreisringförmige Umfangswand des Teils (13)

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einen spitzen Winkel von vorzugsweise etwa 45 einschließen;
4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Zentralofen (10) koaxial in ein längeres Außenrohr (12) montiert ist, und daß der Teil (13) die Querschnittseinschnürung der Gasaustrittsöffnung aufgrund seiner Anpassung an den Vorderteil des Bren-ners, und zwar gleichzeitig am Außenrohr (12) und am rohrförmigen Zentralofen (10) gewährleistet. ',
5. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr (12) über den rückwärtigen Teil des rohrförmigen Zentralofens (10) übersteht und daß das Außenrohr (12) am rückwärtigen Teil durch eine Verschlußhaube (16) ■ verschlossen ist, durch die hindurch die Verbrennungsgas-Zuleitung (15) in die Brennkammer und die Vormischkammer (33) des Brenners verläuft, während das Sauerstoffträgergas ; durch mindestens eine Leitung (19) eingeleitet ist, die vor ! der Verschlußhaube (:16) quer im rückwärtigen Ende des AußeniDhrs (12) mündet.
6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im rohrförmigen Zentralofen (10) in Richtung auf sein I hinteres Ende zu ein Teil (21) montiert ist, der von Löchern _: (23) durchsetzt ist und die Bückwand der Brennkammer bildet, und daß hinter dem Teil (21) die Vormischkammer (33) ausgebildet ist, in die ein Gemisch aus Verbrennungsgas und Sauerstoffträgergas eingeleitet wird.
7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormischkammer (33) zwischen dem von löchern durchbohrten Teil (21) und einem zweiten ebenfalls von Löchern

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durchbohrten, scheibenartigen Teil (22) liegt, wobei die beiden Teile auf die sie axial durchsetzende Zuleitung (15) für das '. Verbrennungsgas montiert sind.
8. Brenner nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß im rohrförmigen Zentralofen (10) im wesentlichen auf ; der Höhe des Brennkammeraustritts und zwar vor dem mit Löchern ■ versehenen Teil (21) Löcher (28) vorgesehen sind, die in den Ringraum (30) für den Zufluß des Sauerstoffträgergases zwischen' dem Außenrohr (12) und dem rohrförmigen Zentralofen (10) münden;.
9. Brenner nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ^;

gekennzeichnet, daß die Löcher (23) des Teils (21) auf der Seite der Brennkammer mit G-egenbohrungslö ehern (24) größeren Durchmessers in Verbindung stehen, die nicht die gesamte Dicke ! des Teils (21) durchsetzen, :
10. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß er aus verschiedenen metallischen Einzel- j teilen besteht, die beispielsweise durch Verschrauben lösbar S miteinander verbunden sind.
11. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf an sich bekannte Weise das Außenrohr (12) des Brenners von einem Mantel (40) umgeben ist, der zur Wärmewiedergewinnung dient, und in dem die Abgase zum Auslaß (41) der Anordnung fließen.

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