-
Brennerkopf für Gas-Gebläsebrenner für alle Gasarten
-
Die Erfindung betrifft einen Brennerkopf für Gas-GebläseDreer für
alle Gasarten, bei dem das Gas durch ein Zentralrohr und die Luft durch ein das
Zentralrohr umgebendes Mantelrohr zugeführt wird und bei dem vor der Zentralrohraustrittsöffnung
eine Stauscheibe angeordnet ist, deren äußerer Durchmesser kleiner ist als der Irmendurchmesser
des Mantelrohres.
-
Es ist bekannt, daß bei Gas-Gebläsebrennern, bei denen die Strömungsgeschalindigkeiten
ein Vielfaches der Flammengeschwindigkeit betragen können, Hilfsmaßnahmen ergriffen
werden müssen, um die sich ausbildenden turbulenten Flammen zu stabilisieren. Dies
trifft besonders für Gase mit niedrigen Flammengeschwindigkeiten, wie Erd- und Flüssiggase,
zu. Diese Hilfsmaßnahmen bestehen aus der Schaffung von Zonen mit niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten,
i in denen örtlich ein Gleichgewicht zwischen Strömungs- und Flammengeschwindigkeit
möglich ist. Als Zone niedriger Strömungsgeschwindigkeit steht vorzugsweise die
Begrenzung von inneren Rückströmzonen, die außerdem günstige Zündbedingungen durch
rücktransportierte heiße Verbrennungsgase aufweisen, zur Verfügung.
-
Bei häuslichen und gewerblichen Gas-Gebläsebrennern werden derartige
Rückströmzonen meist durch das Anbringen von Stauscheiben im Verbrennungsluftstrom
erzeugt.
-
Für die wichtige Frage der Vermischung von Gas und Luft bieten sich
dabei grundsätzlich zwei unterschiedliche Möglichkeiten an, nämlich Gasaustritt
stromaufwärts bzw. stromabwärts der Stauscheibe.
-
Die Auswirkungen der Lage des Gasaustritts auf die Flammeneigenschaften
wurden eingehend untersucht und lassen sich zusammenfassend wie folgt darstellen:
Bei
Betrieb mit Erdgas führt eine Gaszufuhr stromabwärts, d.h.
-
hinter der sausoneibe im aiigemein zu einer VerscIabung der Stabilitätsgrenzen
in den Bereich hoher Luftzahlen bzw. zu Brennstörungen, insbesondere durch Abheben
der Flamme. Bin derartiges Verhalten ist natürlich aus wirtschaftlichen und verbrennungstechnischen
Gründen unerwünscht.
-
Zufriedenstellendes Verhalten mit Erd- und Flüssiggas wird bei einer
Gaszufuhr stromaufwärts, d.h. vor der Stauscheibe erzielt.
-
Es handelt sich hierbei um eine teilweise Vormischung.
-
Eine Erklärung für dieses Verhalten liefert die oben erwähnte Bedingung
für die Flammenstabilität - das Gleichgewicht zwischen Strömungs- und Flammengeschwindigkeit.
-
Beim Gasaustritt stromabwärts der Stauscheibe, also keine Vormischung,
bildet sich ein Konzentrationsfeld mit Linien gleicher Gaszusammensetzung aus. Insbesondere
bildet sich eine Linie stöchiometrischer Konzentration aus, die zum stabilen Brerjien
mit den Grenzen der Rückströmzonen zusammenfallen muß, aber je nach Brenngas- und
Luftdurchsatz unterschiedliche Lagen annimmt.
-
Das heißt, ein Zusammenfallen der Linie stöchiometrischer Konzentration
mit einer Zone niedriger Strömungsgeschwindigkeit ist mehr oder weniger zufälliger
Natur und gilt nur für ganz bestimmte Gas- und Luftdurchsätze.
-
Bei der Gaszufuhr stromaufwärts der Stauscheibe erhält man durch die
intensive turbulente Mischung von Gas und Luft statt einer eng begrenzten stöchiometrischen
Linie eine breite stöchiometrische Zone, im Extremfall - bei vollständiger Vormischung
- ein homogenes stöchiometrisches Gemisch.
-
Folglich wird die Wahrscheinlichkeit, daß ein stöchiometrisches Gemisch
mit einer-Zone niedriger Luftgeschwindigkeit zusammentrifft, ungleich höher als
bei Systemen mit Gasaustritt stromabwärts des Stabilisators. Damit wird das gute
Brennverhalten
derartiger Brennerköpfe mit Erdgas erklärlich.
-
Diese Lösung ist jedoch für den Betrieb mit wasserstoffhaltigen Brenngasen,
z.B. Kokereigas, nicht geeignet, da die Gefahr des Rückschlagens der Flamme bis
zu den Gasdüsen besteht. Die Folge wäre ein Verglühen der Stauscheibe und anderer
Brennerbauteile infolge ausbleibender Kühlung.
-
Soll folglich ein Brenner sowohl für Erd- und Flüssiggas als auch
für Kokereigas geeignet sein, so besteht das Problem, daß ohne teilweise Vormischung
zwar Betrieb mit Kokereigas, jedoch nicht mit Erdgas möglich ist; umgekehrt, bei
Anwendung einer teilweisen Vormischung, der Betrieb mit Erdgas möglich ist, jedoch
bei Kokereigas die Gefahr des Flammenrückschlages besteht.
-
Diese Zusammenhänge haben dazu geführt, daß die meisten Gas-Gebläsebrenner
entweder reine Erdgasbrenner (Gasaustritt stromaufwärts der Stauscheibe) oder reine
Kokereigasbrenner (Gasaustritt stromabwärts der Stauscheibe) sind.
-
Die z. Zt. bekannten "Allgasbrenner't basieren auf einem anderen Stabilisierungsprinzip
als dem der Stauscheiben.
-
Derartige Brenner sind als sogenannte Combustor- oder Kannenbrenner
ausgeführt, d.h. der Brennerkopf besitzt die Form einer Brennkammer mit tangentialer
oder radialer Luftzufuhr. Ihre charakteristische Form schließt die Verwendung als
Zweistoff-Brenner (Ö1 und Gas) aus und erschwert die Verwendung handelsüblicher
Ölbrennergehäuse, die durch hohe Produktionsstückzahlen preiswert zur Verfügung
stehen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brennerkopf zu entwickeln,
der mit allen Gasen der öffentlichen Gasversorgung, d.h. mit Kokerei-, Erd- und
Flüssiggasen ohne Umstellung von Brennerbauteilen betrieben werden kann und der
aufgrund seines einfachen Aufbaues die Verwendung handelsüblicher Öl-bzw. Gasbrennergehäuse
ermöglicht. Damit ist sowohl eine rationellere Produktion als auch Ersatzteilhaltung
und vor allem Wartung möglich.
-
Mit dem neuen Brennerkopf sollen insbesondere Verbrennungsgute, nohe
Fla-enstabIlität, ein weiter Regelbereich und niedriger Druckverlust erreicht werden.
-
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei der
Konstruktion des Brennerkopfes 1. der Gas austritt stromabwärts des Flammenhalters
angeordnet wird und 2. durch Anordnung von Stau- und Verdrängungskörpern in den
Gas- und Luftwegen ein sicherer Betrieb mit allen oben genannten Brenngasen ermöglicht
wird.
-
Gegenstand der Erfindung ist demgemäß ein Brennerkopf für Gas-Gebläsebrenner,
bei dem das Gas durch ein Zentralrohr und die Luft durch ein das Zentralrohr umgebendes
Mantelrohr zugeführt wird und bei dem vor der Zentralrohraustrittsöffnung eine Stauscheibe
angeordnet ist, deren äußerer Durchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des
Mantelrohres, der dadurch gekennzeichnet ist, daß parallel zu der vor der Gasaustrittsöffnung
angeordneten Stauscheibe ein Stauring am Austrittsende des Zentralrohres befestigt
ist und zwischen Stauscheibe und Stauring in der Nähe des inneren Umfanges des Staurings
Verdrängungskörper angeordnet sind, die symmetrisch über den Umfang des von Stauscheibe
und Stauring gebildeten Ringraumes verteilt sind und die in radialer Richtung weniger
als ein Viertel, vorzugsweise weniger als ein Zehntel der Stauringbreite aufweisen
und daß die Stauscheibe und der Stauring Durchtrittsöffnungen für Luft aufweisen.
-
Bei dem neuen Brennerkopf setzt die Mischung von Brenngas und Luft
zwar erst in der Staukörperebene ein, d. h. keine Rückschlaggefahr bei Betrieb mit
wasserstoffhaltigen Brenngasen, in der Stabilisierungszone an der Stauscheibe weist
die Mischung jedoch örtlich unterschiedliche Konzentrationen auf, so daß die zur
Stabilisierung von Erd- und Flüssiggasflammen erforderliche Bedingung - Lage der
stöchiometrischen Konzentration im Bereich sehr niedriger Luft geschwindigkeit en
- an
einigen Stellen in der Nähe der Stauscheibe erfüllt ist. Diese
Stellen genügen zur S+abilisierung der Flamme an der Stauscheibe und dienen zur
Zündung der an den übrigen Stellen durchgesetzten Brenngasmenge.
-
Das entwickelte Brennerkopfsystem entspricht in besonders hohem Maße
den Anforderungen der Prüfung auf Flammenstabilität (DIN 4788). Eine Verminderung
der Brennerbelastung bewirkt eine sich selbsttätig verändernde Brenngaszufuhr, a.h.
eine Verlagerung der Flammenfront relativ zur Stauscheibe in Zonen niedrigerer Strömungsgeschwindigkeiten.
Daraus resultiert ein relativ hoher Regelbereich.
-
Das Prinzip des erfindungsgemäßen Brennerkopfes sowie verschiedene
beispielsweise Ausführungsformen sind in den Figuren 1 bis 10 dargestellt, die nachstehend
näher erläutert werden.
-
In den Figuren sind gleichartige Bauelemente mit gleichen Bezugsziffern
bezeichnet.
-
Figur 1 zeigt das Prinzip der Brennerköpfe. Wesentlich ist die Verwendung
zweier eng benachbarter Stauscheiben (1) und (2).
-
Die Mischung von Brenngas und Luft setzt zwischen den beiden Scheiben
(1) und (2) ein, die Bohrungen (3), Drallnuten oder andere Stabilisierungshilfen
aufweisen können.
-
Ein Teil der ausströmenden Gasmenge wird von dem durch die Bohrungen
(3) tretenden Luftstrom mitgeführt. Die dabei eintretende Vermischung sowie die
durch die doppelte Entspannung der Luft erzielte niedrige Ausströmgeschwindigkeit
bieten günstige Voraussetzungen für die Ausbildung stabiler Flammen Örtlich unterschiedliche
Konzentrationen in den St ab ilisierungszonen am Rande der Stauscheibe werden durch
regelmäßig verteilte Verdrängungskörper (4) zwischen den beiden Stauscheiben erreicht,
die in Umfangsrichtung alternierend den Gasweg öffnen bzw.
-
blockieren.
-
Bei richtibeD Auslegung des Abstandes S zwischen den Scheiben (1)
und (2) -sowie der Gröfae der Vei-drängungskörer (4) bildet sich eine in Umfangsrichtung
unterschiedliche 7erteilung der austretenden Gasmenge aus.
-
Der nicht blockierte Gasanteil gelangt mit hohem Impuls in die axiale
LuStströmung, die Lage der stöchiometrischen Gemischzusammensetzung verschiebt sich
in den Bereich hoher LuStgeschwindigkeit.
-
Im Nachlaufgebiet der Verdrängungskörper tritt hingegen eine Verzögerung
der Gasströmung mit dementsprechend niedrigerem Austrittsimpuls auf. Stöchiometrische
Konzentration stellt sich hier im Bereich niedriger Luftgeschwindigkeit ein; die
Bedingung für stabiles Brennen auch bei Betrieb mit Erdgas oder Flüssiggas ist erfüllt.
-
Bei Betrieb mit Kokereigas verhindert der geringe Abstand zwlschen
den Scheiben ein Rückschlagen der Flammen, da der Löschabstand unterschritten und
somit eine Flammenausbreitung zwischen den Scheiben verhindert wird.
-
Des weiteren bewirkt diese Art der Mischung von Brenngas und Verbrennungsluft
eine hohe Flammenstabilität entsprechend den Anforderungen der DIN 4788, gemäß denen
der Regelbereich eines zu prüfenden Brenners so festgelegt wird, daß bei größter
zugeordneter Luftmenge die Gasmenge so lange gedrosselt wird, bis die Grenze der
Flammenstabilität erreicht wird.
-
Bei dem hier beschriebenen Brennerkopf verursacht eine Drosselung
der Gaszufuhr einen geringeren Austrittsimpuls, der Gasaustritt verlagert sich zu
den inneren Bohrungen.
-
Damit werden trotz einer hohen Gesamtluftzahl örtlich stöchiometrische
Mischungsverhältnisse möglich. Gleichzeitig erfolgt eine Verlagerung der Flammenfront
vom Rand der Stauscheibe zur Stauscheibenmitte und damit in den Bereich günstigerer
Strömungs- und Zündbedingungen. Dieses Verhalten bewirkt stabiles Brennen auch bei
hohen Luftüberschuß und damit einen weiten Regelbereich bezüglich der Flammenstabilität.
-
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen in der Eignung des
Brennerkopfes, mit allen Gasen der öffentlIchen Gasversorgung ohne Umbau von Brennerbauteilen
betrieben werden zu können, wodurch kostspielige Umstellarbeiten bei Wechsel der
Gasart entfallen. Außerdem kann bei Verwendung des erfindungsgemäßen Brennerkopfes
die Produktion, Lagerhaltung und Wartung wesentlich vereinfacht werden. Des weiteren
ist die einfache Bauweise hervorzuheben, die es gestattet, diesen Brennerkopf auf
handelsübliche 01- oder Gasbrennergenäuse aufzusetzen.
-
Für die Bormgebung der Stauscheiben bieten sich neben der in Figur
1 und Figur 2 angedeuteten Lösung, bei der die Luft durch die fluchtend angeordneten
Bohrungen (3) treten kann, verschiedene weitere Möglichkeiten an.
-
So kann z.B. gemäß Figur 3 und Figur 4 eine Führung der Verbrennungsluft
durch eine geeignete düsenförmige Ausführung (5) der Scheibe (1), z.B. durch eingelötete
kurze Rohrstücke oder durch geeignete Fertigung der Scheibe (1) erfolgen.
-
Da der Bohrungsdurchmesser der Scheibe (2) größer als der äußere Düsendurchmesser
ist, entsteht ein Ringspalt (6), durch den ein Teil des Gases ausströmen kann. Die
Mischung von Gas und Luft setzt am Austritt dieser Einzelstrahlen ein. Hierbei übernehmen
die in den Ringspalt (6) ragenden düsenförmigen Einbauten (5) die Rolle der Verdrängungskörper.
Diese Brennerköpfe erzeugen aufgrund der intensiven Mischung von Gas und Luft kurze
Flammen bei niedrigem Druckverlust, die Anwendung in üblichen Warmwasserheizkesseln
finden.
-
Eine weitere Möglichkeit der Gestaltung der Stauscheiben, die zu großen
Flammenlängen führt, zeigt Figur 5 und Figur 6. Der Aufbau ähnelt Figur 3, jedoch
ist hier kein Ringspalt in der Scheibe (2) vorhanden. Das Brenngas tritt nur am
äußeren Umfang (7) der Stauscheiben in den Luftstrom. Die dadurch bedingte langsame
Vermischung von Gas und Luft führt zu lang ausbrennenden Flammen, die für verfahrenstechnische
Prozesse Verwendung finden können.
-
Eine Möglichkeit zur Erzeugung extrem kurzer Flammen, wie sie in modernen
nochieistungshei8Kesseln mit hohem rauchgasseisigem Druckverlust benötigt werden,
zeigt Figur 7 und Figur 8.
-
Hier besitzen die Scheiben (1) und (2) eingefräste Schlitze (8), die
zur Brennerachse einen Anstellwinkel « besitzen. Beim Durchströmen dieser Schlitze
erhält die Luft eine Tangentialkomponente, d.h. sie wird verdrallt. Die Flammenlänge
ist durch die Wahl des Winkels in weiten Grenzen beeinflußbar.
-
Für bestimmte Fälle, z.B. bei der Umstellung ölbefeuerter Kesselanlagen
auf Gasfeuerung, ist der Einsatz einer Gasflamme mit stärkerem Strahlungsanteil
wünschenswert, d.h. die Reaktionsführung muß so erfolgen, daß Ruß als Zwischenprodukt
der Verbrennung gebildet wird. Ruß entsteht bei langsamer Mischung im Bereich hoher
Temperatur und geringer. 02-Konzentration.
-
Diese Voraussetzungen werden z.B. bei einer Ausführung gemäß Figur
9 und Figur 10 erfüllt, bei der die vordere Stauscheibe eine zentrale Bohrung (9)
erhalten hat, durch die ein Teil des Brenngases in die Flammenachse eindringen kann.
Als Folge dieser Maßnahme ergeben sich gelb ausbrennende Flammen mit hohem Strahlungsanteil.
Die Ausbildung der Stauscheiben kann unabhängig von der zentralen Bohrung entsprechend
Figur 1 bis 8 erfolgen.
-
Literatur zur Problematik der Flammenstabilisierung Kremer, H.: Stabilisierung
turbulenter Gasflammen. Bericht zum 10. IGU-Kongreß, Hamburg 1967, IGU/E 14-67.
-
Günther, R.: Verbrennung und Feuerungen. Springer Verlag 1974.
-
Niiix, E.: Über die Staukörperstabilisierung turbulenter Diffusionsflammen
an Brennern mit zentraler Brenngas und ringförmiger Luftzufuhr. Dissertation 10H
Aachen 1969.
-
Kremer, H., Ninx, E.: ber die Stabilisierung von turbulenten Diffusionsflammen
durch Staukörper. Chemie-Ing.-Techn. 44 (1972) Nr. 1 u. 2.
-
Kremer, H., Minx, E., Rawe, R.: Stabilization of Parallel-Flow Turbulent
Jet Diffusion Blaues by Means of Flame-Holders.
-
Combustion Institute Buropean Symposium 1975, Sheffield.
-
Günther, R.: Stabilisierung turbulenter Gasflammen. Chemie-Ing.-Techn.
42 (1970) Nr. 3, S. 105-108.
-
Literatur zu "Allgasbrennern" Brunklaus, J.H.: Das Verhalten eines
Combustor-Gasbrenners bei Änderung der wichtigsten Betriebsparameter. gas wärme
international 22 (1973) Nr. 3, 5. 104-111.
-
Pritsch, W.H.: Brennversuche mit Groninger Erdgas unter Verwendung
von Kannenbrennerll. Öl- und Gasfeuerung 10 (1965), S. 220-242.