DE2524036A1

DE2524036A1 - Brenner fuer fliessfaehige brennstoffe

Info

Publication number: DE2524036A1
Application number: DE19752524036
Authority: DE
Inventors: German Kurz; Joachim Von Dipl Ing Dr Linde; Robert Von Dipl Ing Linde
Original assignee: Caloric Gesellschaft fuer Apparatebau mbH
Current assignee: Caloric Gesellschaft fuer Apparatebau mbH
Priority date: 1975-05-30
Filing date: 1975-05-30
Publication date: 1976-12-16
Also published as: DE2524036C2; US4113425A

Description

Caloric Gesellschaft für Apparatebau m.b.H., 8032 Gräfelfing

Brenner für fließfähige Brennstoffe

Die Erfindung betrifft einen Brenner für fließfähige Brennstoffe mit einem im wesentlichen zylindrischen Brennergehäuse, das ein offenes und ein geschlossenes Ende aufweist und mit seinem offenen Ende an eine Abgasleitung anschließbar ist, wobei in dem geschlossenen Ende eine in der Längsraittelachse des Brennergehäuses angeordnete Brennstoffzufuhr und in der Umfangswand eine Brennluftzufuhr vorgesehen ist und das Brennergehäuse eine koaxial angeordnete, rohrfömige Brennkammer enthält, die mit der Innenv/and des Brennergehäuses einen zum offenen Ende des Brennergehäuses hin geschlossenen Ringraum bildet, in den die Brennluftzufuhr mündet. Insbesondere wenn derartige Brenner als Hochleistungsbrenner ausgeführt werden mit einer Leistung von etwa

100 Millionen K ,/irr h, treten erhebliche thermische Probleme cal

auf. Obgleich die Brennkammer bei den bekannten Ausführungen an ihrer Außenfläche durch die Verbrennungsluft gekühlt wird, reicht diese Kühlung bei höheren Belastungen nicht aus, so daß auf eine

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keramische Auskleidung normalerweise nicht verzichtet werden kann. Die Auskleidungen verteuern den Brenner und haben auf manchen Anwendungsgebieten, beispielsweise bei der Abfallverbrennung, den Nachteil, daß sie durch bei der Verbrennung entstehende Salze (Natriumverbindungen, Vanadiumverbindungen) angegriffen werden. Außerdem bestehen bei Hochleistungsbrennern häufig StartSchwierigkeiten, die eine Zündung durch einen aufwendigen Zündbrenner anstelle der üblichen Zündelektroden erfordern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner in der angegebenen Art zu schaffen, der trotz eines einfachen Aufbaus thermisch hoch belastbar ist, und zwar unter Verzicht auf eine keramische Auskleidung mit ihren vorstehend angegebenen Nachteilen, und der außerdem eine vollständige Verbrennung gewährleistet und ein leichtes Starten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Brennkammer die Form eines Doppelkegelstumpfes hat, dessen größter Durchmesser zwischen seinen Enden liegt, daß zwischen dem der Brennstoffzufuhr zugewandten Ende des Doppelkegelstumpfes und der Urnfangswand des Brennergehäuses eine mit Durchtrittsöffnungen versehene Trennwand vorgesehen ist, daß die Wand des Doppelkegelstumpfes ebenfalls mit Durchtrittsöffnungen versehen ist und daß die Brennluftzufuhr in an sich bekannter Weise etwa tangential in den Ringraum zwischen dem Doppelkegelstumpf und der Umfangswand des Brennergehäuses mündet.

Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag wird eine Kühlung des die Brennkammer bildenden Doppelkegelstumpfes nicht nur an seiner Außenfläche, sondern auch an seiner Innenfläche erreicht. Dabei bildet sich an der Innenwand ein Luftschleier aus, der einen wirksamen Schutz der Wand des Doppelkegelstumpfes vor den heißen Brenngasen bildet. Da die Brennluft aufgrund der tangentialen Einführung in den Ringraum einerseits entlang der Außen-

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fläche des Doppelkegelstumpfes rotierend in Richtung auf das geschlossene Ende des Brennergehäuses strömt und andererseits ebenfalls rotierend an der Innenfläche des Doppelkegelstumpfes entlangströmt, wird eine wirkungsvolle Kühlung sichergestellt. Durch die Rotation der Luft im Inneren des Doppelkegelstumpfes wird außerdem erreicht, daß die kalte und daher schwerere Luft stets außen ist. Wenn sie durch die Erwärmung leichter wird, wird sie durch die nachströmende kalte Luft nach innen gedrückt, so daß an der Innenwand des Doppelkegelstumpfes stets kalte Luft entlangströmt. Dadurch wird der Kühleffekt erhalten.

Der erfindungsgemäße Vorschlag ergibt nicht nur eine sehr gute Kühlung der Wand der Brennkammer, so daß diese verhältnismäßig dünnwandig und aus niedriglegierten Stählen hergestellt werden kann, sondern überraschenderweise auch eine wesentliche Verbesserung der Verbrennung und des Startverhaltens. Zur Erzielung einer vollständigen Verbrennung ist bekanntlich eine gute Mischung zwischen Luft und Brennstoff Voraussetzung. Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag, bei welchem zunächst nur ein Teil der Brennluft, nämlich der durch die Öffnungen in der Trennwand strömende, mit dem Brennstoff in Berührung kommt, wird im Bereich der Zündelektrode ein fettes und daher zündwilliges Gemisch erzeugt und zunächst eine teilweise Verbrennung durchgeführt, die bei Betrieb mit flüssigem Brennstoff zu einer Vorvergasung des noch nicht von der Verbrennung erfaßten Teils des Brennstoffes und bei Gasbetrieb zu einem Abbau der Moleküle führt. Im weiteren Verlauf erfolgt mittels der in das Innere des Doppelkegelstumpfes eintretenden Brennluft eine vollständige Verbrennung. Diese stufenweise Verbrennung wirkt sich auch günstig auf die Bildung von Stickoxyden aus, die in der Größenordnung von 100 ppm gemessen wurden.

Wie erwähnt, erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Brenner eine Umfangsströmung der Luft sowohl an der Innenfläche als auch an der Außenfläche des Doppelkegelstumpfes. Da der Brennkegel,

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der unverbrannten Brennstoff enthält, an der Rotation der Luft im Inneren des Doppelkegelstumpfes teilnimmt, kann bei ülbetrieb der Fall eintreten, daß bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten Brennstofftröpfchen durch die Fliehkraft gegen die Innenwand des Doppelkegelstumpfes geschleudert werden, wodurch die Verbrennung beeinträchtigt wird. Bei einem dünnwandigen Doppelkegelstumpf ist es daher zweckmäßig, die Lufteintrittsöffnungen entgegen der Strömungsrichtung der Brennluft im Ringraum schräg verlaufend auszubilden, wodurch die Umfangsgeschwindigkeit verringert werden kann. Die Umfangs- oder Tangentialgeschwindigkeit kann auch durch entsprechende Wahl des Einstromwinkels der Verbrennungsluft in den Ringraum eingestellt werden.

Der Brennluftanteil, der durch die öffnungen in der Trennwand strömt, rotiert ebenfalls und erteilt dem in diesen Brennluftanteil eingespritzten Brennstoff eine Zentrifugalbeschleunigung, die, wenn sie zu groß ist, gleichfalls dazu führen kann, daß unverbrannte Brennstofftröpfchen gegen die Innenwand des Doppelkegelstumpfes geschleudert werden. Um die Tangentialbeschleunigung dieses Brennluftanteiles zu verringern, kann in dem Ringraum mindestens ein sich im wesentlichen axial erstreckendes Leitblech vorgesehen werden. Dieses Leitblech erstreckt sich vorzugsweise von der Trennwand, so daß die umlaufende Luftströmung erst unmittelbar vor dem Austritt in den die Brennstoffdüse enthaltenden Raum gebremst und die Kühlung der Außenfläche des Doppelkegelstumpfes nicht verringert wird. Ein weiteres Leitblech kann sich von der brennraumseitigen Abschlußwand des Ringraumes in diesen erstrecken und dem erstgenannten Leitblech etwa diametral gegenüberliegen.

Die Brennluftzufuhr sollte möglichst nahe des brennraumseitigen Endes des Ringraumes in diesen münden-, um zu erreichen, daß die Brennkammer möglichst über ihre ganze Länge von kühlender Brennluft bestrichen wird. Besonders zweckmäßig ist

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es dabei, in der Wand des Doppelkegelstumpfes nahe dein brennraumseitigen Ende über den Umfang verteilte Lufteintrittsöffnungen vorzusehen, durch welche die Luft in Richtung auf das offene Ende des Brennergehäuses strömt, um diesen thermisch besonders hoch beanspruchten Bereich der Brennkammer zu kühlen.

Die brennraumseitige Abschlußwand des Ringraumes kann aus einer Keramikplatte oder einem gekühlten metallischen Körper bestehen.

V/eitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Prinzip dargestellt ist. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen ölbrenner; und

Fig. 2 einen Querschnitt entlang Linie 2-2 in Fig. 1.

Der in den Zeichnungen dargestellte Brenner weist ein Brennergehäuse 1 mit einer im wesentlichen zylindrischen Umfangswand 2 auf, das an einem Ende durch eine Stirnwand 3 geschlossen ist und dessen anderes Ende 4 offen ist und mit einer anschließenden, nicht dargestellten Abgasleitung in Verbindung steht. In der Stirnwand 3 ist im Ausführungsbeispiel eine Brennstoffdüse 5 in der Längsmittelachse 6 des Brennergehäuses 1 angeordnet. In die Innenfläche 7 der Umfangswand 2 mündet tangential ein Einlaßkanal 8 für die Verbrennungsluft. Im Inneren des Brennergehäuses 1 ist koaxial zur Längsmittelachse 5 eine rohrförmige Brennkammer 9 angeordnet, die mit der Innenfläche 7 der Umfangswand 2 einen Ringraum 10 bildet, der zum offenen Ende 4 des Brennergehäuses 1 hin durch eine ringförmige Platte 11 abgeschlossen ist.

Die Brennkammer 9 hat die Form eines Doppelkegelstumpfes, dessen größter Durchmesser 12 zwischen seinen Enden 13 und 14 liegt. Zwischen dem der Brennstoffdüse 4 zugewandten Ende 13

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der Brennkammer 9 und der Umfangswand 2 des Brennergehäuses 1 ist eine Trennwand 15 vorgesehen, die mit Durchtrittsöffnungen 16 versehen ist. Die Wand der Brennkammer 9 weist Reihen von Durchtrittsöffnungen 17a, 17b, 17c und 17d auf, die gleichmäßig über den Umfang der Brennkammer 9 verteilt sind. In die durch die Trennwand 15 gebildete Vorkammer 18 ragt eine Zündelektrode 19 hinein.

Die von einem nicht dargestellten Gebläse geförderte, durch den Einlaßkanal 8 tangential in den Ringraum 10 eintretende Verbrennungsluft strömt schraubenlinienförmig an der Außenfläche der Brennkammer 9 entlang in Richtung auf die Vorkammer 18 und tritt zum einen Teil durch die öffnungen 16 in der Trennwand 15 in die Vorkammer 18 und zum anderen Teil durch die öffnungen 17a, 17b, 17c und 17d in das Innere der Brennkammer ein. Die Rotationsbewegung der durch die öffnungen 17a, 17b, 17c und 17d eintretenden Luft bleibt auch im Inneren der Brennkammer 9 teilweise erhalten, so daß sich ein Luftschleier entlang der Innenfläche der Brennkammer 9 bildet. Die Größe der öffnungen 16 und 17 ist so bemessen, daß die durch die Öffnungen 16 in die Vorkammer 18 eintretende Luft mit dem durch die Düse 5 zugeführten Brennstoff ein überfettes Brennstoff-Luftgemisch bildet, das sich durch hohe zündwilligkeit auszeichnet und daher mittels der Zündelektrode 19 leicht entzündet werden kann. Die Flamme, die sich aufgrund der Rotationsbewegung der durch die öffnungen 16 in die Vorkammer 18 eintretenden ,Luft ebenfalls rotationsförmig in der Brennkammer 9 ausbreitet, ermöglicht zunächst noch keine vollständige Verbrennung, da sie mit Luftmangel brennt. Es findet jedoch eine Vergasung der noch vorhandenen Brennstofftröpfchen statt und die gewünschte vollständige Verbrennung wird nun im Inneren der Brennkammer 9 mit Hilfe der durch die öffnungen 17a, 17b, 17c und 17d zugeführten Luft erreicht. Die Wand der Brennkammer 9 wird vor den heißen Brenngasen durch den vorher erwähnten Luftschleier geschützt, der von der durch die öffnungen 17a, 17b, 17c und 17d einströmenden Luft laufend ergänzt wird.

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Wie erwähnt, bildet sich durch die rotierende Luftströmung in der Vorkammer 18 eine rotierende Wolke eines fetten Brennstoff-Luftgemisches im vorderen Teil, d.h. in dem in Fig. 1 oberen Teil der Brennkammer 9, die zunächst nicht vollständig verbrennt. Ist diese Rotationsbewegung zu stark, so kann es eintreten, daß Brennstofftröpfchen aufgrund der Zentrifugalwirkung gegen die Wand der Brennkammer 9 geschleudert werden, wodurch die Verbrennung ungünstig beeinflußt wird. Andererseits ist ein Umströmen der Brennkammer 9 mit relativ hoher Geschwindigkeit erwünscht, um eine gute Kühlwirkung zu erreichen. Um die Strömung der Luft in der Vorkammer 18 in Umfangsrichtung zu verringern, ist in dem Ringraum 10 ein axial und radial sich erstreckendes Leitblech 21 vorgesehen, das von der Trennwand 15 ausgeht. Durch dieses Leitblech 21 wird die Strömung der Luft in Umfangsrichtung gebremst, so daß die Rotationsgeschwindigkeit der Gemischwolke verringert wird. Andererseits wird die Umströmung der Wand der Brennkammer 9 durch das LeitDlech 21 zumindest in den Bereichen, in denen der größte Wärmeeinfall auftritt, nur unwesentlich beeinflußt.

Der Lufteintrittskanal 8 ist, wie ersichtlich, nahe dem von der Brennstoffdüse 5 abgewandten Ende des Ringraumes 10 angeordnet, um zu erreichen, daß die Brennkammer 9 über ihre ganze Länge innen und außen von Luft bestrichen wird. Die letzte Reihe von Durchtrittsöffnungen 17d ist ebenfalls nahe diesem Ende des Ringraumes 9 angeordnet, um diesen thermisch besonders hoch belasteten Bereich der Wand der Brennkammer 9 ausreichend von innen zu kühlen. Eine verstärkte Zuführung von Luft zu dieser letzten Lochreihe 17d kann dadurch erreicht werden, daß im Bereich dieser Löcher 17d ein weiteres radiales Leitblech 22 vorgesehen ist, welches sich in axialer Richtung von der Abschlußwand 11 erstreckt. Das Leitblech 22 liegt dem Lufteinlaßkanal 8 und dem ersten Leitblech 21 etwa diametral gegenüber.

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Die intensive Kühlung der Wand der Brennkammer 9 durch eine Luftströmung, die sowohl an der Innenfläche als auch an der Außenfläche verläuft, ermöglicht es, daß die Wand nur eine geringe Dicke zu haben braucht und aus niedrig legierten Stählen hergestellt v/erden kann. Bei einer dünnwandigen Brennkammer hat sich jedoch gezeigt, daß die Tangentialströmung im Inneren der Brennkammer zu stark wird und die Gemischwolke zu einer verstärkten Rotation anregen kann, die wiederum ein Abschleudern von Brennstofftröpfchen an die Wand der Brennkammer 9 zur Folge haben kann. Dies ist dadurch zu erklären, daß bei einer dünnen Wand die Luft beim Durchströmen der Öffnungen 17a, 17b, 17c und 17d kaum radial gerichtet wird, wie dies bei radial gebohrten Durchtrittsöffnungen in einer dickeren Wand der Fall ist. Um bei einer dünnwandigen Brennkammer 9 diese Tangentialströmung zu verringern, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Lufteintrittsöffnungen 17 entgegen der Strömungsrichtung S der Luft im Ringraum 10 zu schränken, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist. Eine Beeinflussung der Umfangsgeschwindigkeit der durch den Einlaßkanal 8 in den Ringraum 10 eintretenden Luft läßt sich auch durch entsprechende Wahl des Lufteintrittswinkels (K (Fig.2) erreichen. Je kleiner dieser Winkel ist, desto größer ist die Umfangsgeschwindigkeit.

Der die Brennkammer 9 bildende Doppelkegelstumpf ist im Ausführungsbeispiel unsymmetrisch ausgebildet, wobei sein größter Durchmesser 12 näher am brennraumseitigen Ende 14 als am düsenseitigen Ende 13 liegt. Dadurch wird eine verhältnismäßig plötzliche Einschnürung der Flamme beim Austritt aus dem brennraumseitigen Ende 14 in der Brennkammer 9 erreicht, was zu hohen Ausströmgeschwindigkeiten führt, wie sie bei Hochgeschwindigkeit s- oder Impulsbrennern erwünscht sind. Gleichzeitig ergibt sich eine kurze Verweilzeit in der Brennkammer 9, wodurch die Bildung von Stickoxyden verringert wird.

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Die Anzahl, Größe und Anordnung der Durchtrittsöffnungen 16
und 17 hängt von der Größe des Brenners, von dem verwendeten Brennstoff und gegebenenfalls auch vom Anwendungsbereich des Brenners ab.

Zur Veränderung der Lufteintrittsgeschwindigkeit kann in dem Lufteinlaßkanal 8 ein in Fig. 1 schematisch angedeuteter Einsatz 24 angeordnet werden, der eine entsprechend der gewünschten Luftgeschwindigkeit ausgelegte Durchtrittsöffnung 25 aufweist. Dadurch läßt sich ein und derselbe Brenner verschiedenen Anwendungs- und Leistungsbereichen anpassen.

Die Abschlußplatte 11 kann aus Keramik bestehen oder von einem gekühlten metallischen Körper gebildet werden.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere läßt sich die Erfindung auch auf einen Brenner für gasförmige Brennstoffe anwenden, wobei anstelle der Zerstäuberdüse 5 eine bei Gasbrennern übliche
gelochte Verteilerplatte verwendet wird.

- Ansprüche -

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Claims

- ίο - Ansprüche

1.] Brenner für fließfähige Brennstoffe mit einem im wesentlichen zylindrischen Brennergehäuse, das ein offenes und geschlossenes Ende aufweist und mit seinem offenen Ende an eine Abgasleitung anschließbar ist, wobei in dem geschlossenen Ende eine in der Längsmittelachse des Brennergehäuses angeordnete Brennstoffzufuhr und in der Umfangswand eine Brennluftzufuhr vorgesehen ist und das Brennergehäuse eine koaxial angeordnete, rohrförmige Brennkammer enthält, die mit der Innenfläche der Umfangswand des Brennergehäuses einen zum offenen Ende des Brennergehäuses hin geschlossenen Ringraum bildet, in den die Brennluftzufuhr mündet, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (9) die Form eines Doppelkegelstumpfes hat, dessen größter Durchmesser (12) zwischen seinen Enden (13,14) liegt, daß zwischen dem der Brennstoffzufuhr (5) zugewandten Ende (13) der Brennkammer (9) und der Umfangswand (2) des Brennergehäuses (1) eine mit Durchtrittsöffnungen (16) versehene Trennwand (15) vorgesehen ist, daß die Wand der Brennkammer (9) niit Durchtrittsöffnungen (17a,17b,17c,17d) versehen ist und daß die Brennluftzufuhr (8) in an sich bekannter Weise etwa tangential in den Ringraum (10) zwischen der Brennkammer (9) und der Umfangswand (2) des Brennergehäuses (1) mündet.

2. Brenner nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ringraum (10) mindestens ein sich im wesentlichen axial erstreckendes Leitblech (21,22) vorgesehen ist.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitblech (21) von der Trennwand (15) ausgeht.

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4. Brenner nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Leitblech (22) sich von der brennraumseitigen Abschlußwand (11) des Ringraumes (10) in diesen erstreckt.

5. Brenner nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Leitbleche (21,22) einander etwa diametral gegenüberliegen.

6. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Leitblech (22) der Brennluftzufuhr (8) etwa diametral gegenüber liegt.

7. Brenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand der Brennkammer (9) von dünnem Stahlblech gebildet ist und daß die Lufteintrittsöffnungen (17a,17b,17c,17d) entgegen der Strömungsrichtung der Brennluft im Ringraum (10) geschränkt sind.

8. Brenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennluftzufuhr

(8) nahe dem brennraumseitigen Ende des Ringraumes (10) in diesen mündet und daß nahe diesem Ende der Brennkammer (9) über den Umfang verteilte Lufteintrittsöffnungen (17d) in deren Wand vorgesehen sind.

9. Brenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die Brennkammer

(9) bildende Doppelkegelstumpf unsymmetrisch ausgebildet ist und sein größter Durchmesser (12) näher am brennraumseitigen Ende (14) als am anderen Ende (13) liegt.

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