-
Verfahren zum Einführen und Zünden eines
-
Brenngasluftgemisches in eine Brennkammer und Brenner- und Brennksminerausbildung
zu seiner Durchführung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einführen und Zünden
eines Brenngas-Luftgemisches in eine Brennkammer, insbesondere Brennkammer eines
Strahlungsheizkessels, wobei Luft und Gas im Verlauf des Zufuhrksnsles turbulent
gemischt und in die Brennkammer eingeblasen werden, und bezieht sich ferner auf
die Brenner- und Brennkammerausbildung zur Durchführung des Verfahrens.
-
Sogenannte Strahlungsheizkessel sind bspw. nach der DOS 2321 926 bekannt,
wobei die Wärmetauschelemente als hohle, von der zu erwärmenden Flüssigkeit durchfioaseneMntel
von zylindtischer oder prismatischer Gestalt in gleichachsiger Gruppierung ausgebildet
sind und sich zwischen den aus gewickelten Rohren gebildeten Mänteln das Strahlungsmaterial
in loser Schüttung befindet und wobei ferner am Unterteil der Mäntel ein gemeinsames
Gehäuae zur
Mischung und Verteilung des Brennstoff-Luftgemisches
angeordnet ist, das gewissermaßen den Brenner des Heizkessels bildet. Solchen Heizkesseln
liegt das Verbrennungsprinzip explosiver Gasgemische bspw.
-
nach den DT-PS 258 n65 und 266 133 zugrunde. Abgesehen von der nicht
ohne Schwierigkeiten zu verwirklichenden Bauweise des nach der DOS 2 231 926 vorbekannten
Strahlungsheizkessels dürfte einerseits die außerordentlichen Belastungen des Heizkesselmaterials
und andererseits insbesondere die unzureichende Beherrschbarkeit des Brennvorganges
trotz des Bekanntseins dieses Verbrennungsprinzips seit mehr als sechzig Jahren
der Grund dafür sein, daß sich derartige Kessel bis heute noch nicht eingeführt
haben, so sehr dies an sich wegen der erreichbaren kleinen BaugröBen und dem damit
verbundenen geringen Gewicht solcher Heizkessel anzustreben gewesen wEre.
-
Für die Beherrschbarkeit des Brennvorganges in solchen Strahlungsheizkesseln
ist aber die Art der Gasmischung und vor allen Dingen die Art der Zuführung des
Gemisches zur Brennkammer und in Verbindung damit die Brenner- und Brennkammersusbildung,
wie sich gezeigt hat, von ganz entscheidender Bedeutung und zwar hinsichtlich einer
möglichst gleichmS8igen Luft-Gasmischung und pulsationafreie Verbrennung durch Vermeidung
der Rückbrenngefshr im explosiven Gas-Luftgemisch, guter und vollkommener Durchzündung
des Gasluftgemisches in der Brennkammer vor der Berührung mit dem Schüttgut und
durch Begegnung der Gefahr eines Flammabrisses im Übergangsbereich vom Brennerkanal
zur Brennkammer.
-
Diese strömungs- und verbrennungstechnisch komplexe Problematik, die
sich schon allein im Beschickungsbereich vor der Strahlungsmaterialschüttung solcher
Heizkessel ergibt und zu der noch eine möglichst geringe oder gar keine Schadstoffemission
als anzustreben hinzukommt ist bisher offenbar weder - aus welchen Gründen auch
immer - erkannt, noch ist ihr in zureichender Weise Rechnung getragen worden, was
insbesondere die DOS 2 321 926 erkennen läßt, bei deren Gegenstand für die Zufuhr
des als homogen vorausgesetzten Gasgemisches lediglich ein haubenartiges Gebilde
vorgesehen ist, dem das Gas-Luftgemisch durch ein Gebläse zugeführt wird.
-
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum
Einführen und Zünden eines Brenngas-Luftgemisches in eine Brennkammer zu schaffen,
mit dem die oben genannte Problematik befriedigend gelöst ist, d.h., es sollen schon
im Brenner- und Brennkammerbereich die Voraussetzungen geschaffen werden, die für
eine einwandfreie und optimale Wärmeumsetzung im eigentlichen strahlungs- und konvektionswirksamen
Bereich des Strahlungsheizkessels erforderlich sind.
-
Diese Aufgabe ist mit einem Verfahren der eingangs genannten Art nach
der Erfindung dadurch gelöat, daß die GemischRomponenten zunächst grobballig gemischt
und nach Durchmischung in eine isentrope, turbulente Strömung mit feinballiger Turbulenzstruktur
umgewandelt und diese Strömung anschließend beschleunigt wird, wonach am Ende der
Beschleunigungssj;trecke unter weiterer Beschleunigung beim übergang in eine Teilstrecke
der Gasgemischstrom
in Einzelstrahlen aufgeteilt und unmittelbar
hinter der Aufteilungsstrecke beim Übergang in die Brennkammer stationär gezündet
wird, wobei die Einzelstrahlen vorzugsweise auf voller Breite des Ausbrennbereiches
flach in diesen eingeführt werden.
-
Zur DurchfUhrung dieses Werfahrens ist die Brenner- und Brennkammerausbildung
derart beschaffen, daß sich mindestens von der Brenngas zufuhrstelle aus bis zum
Einmündungsbereich in die Brennkammer verengenden, mit einer Luftzufuhröffnung versehenen
Brennerkanal quer zur Luftanströmrichtung ein das Brenngas in Einzelströmen zuführendes
Gaszumischelement angeordnet ist und daß im Mündungsbereich des Brennerkanales zur
Brennkammer, den freien Durchströmquerschnitt für das Gas-Luftgemisch weiter reduzierend,
parallele, den Gasstrom in einzelne Flachströme teilende Abstands- und Flammhalter
angeordnet sind.
-
In vorteilhafter Weiterbildung wird dabei u.a das Gaszumischelement
vorzugsweise luftanströmseitig mit Löchern und ober- und unterhalb mit Zwangsführungsleitschalen
unter Ausbildung eines etwa ringförmigen, an- und abströmseitig offenen Luft-Gasmischkanales
als einzige Strömungspassage versehen.
-
Die erfindungsgemäße Ausbildung, bei der also Luft und Gas getrennt
in den Brenner eingeführt werden, führt zu einer turbulenzreichen Mischung im Bereich
des Gaszumischelementes, wobei anschließend durch den sich verengenden Brennerkanal
und die damit verbundene Strömungsbeschleunigung im Sinne einer Turbulenzunterdrückung
und Beruhigung auf das Gas-Luftgemisch eingewirkt wird.
-
Durch die Anordnung der Abstands- und Flammhalter, die den Strdmungskanal
weiter, vorzugsweise im Verhältnis von 1 : 2 unterteilen, erfolgt eine weitere Beschleunigung
und die Aufteilung der Gasströmung in Flachstrahlen, wobei diese Elemente gleichzeitig
zur Fltmmhalterung dienen, was noch näher erläutert wird.
-
Die hinter der Gaszumischstelle mit der erfindungsgemäßen Ausbildung
erreichbare Turhulenzsenkung bewirkt, daß die Flammgeschwinb digkeit gedrückt wird
und jetzt auch im eingeschlossenen Raum kleiner ist als die Strömungsgeschwindigkeit
des Gas-Luftgemisches und dadurch die Flamme nicht mehr zurückechlagen kann. Mit
der Turbulenzdämpfung ist also eine weitere Reduzierung der Flammgeschwindigkeit
verbunden und das ganze Brennersystem wird damit in Einem Verhältnis von etwa 1
: lo regelbar. Die tatsächliche Regelhreite hängt stark vom freien Wasserstoffgehalt
des Gemisches ab, d.h., mit zunehmendem Uasserstoffgehalt wird der Regelbereich
bezogen auf die Rückschlaggefahr verkleinert.
-
Das erfindungagemäße Verfahren und die prinzipielle Ausbildung des
Brenners- und der Brennkammer und vorteilhafte Weiterbiidungaformen, wie sie sich
nach den Unteransprüchen ergeben, werden nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung
von AusfUhrungsbeispielen näher erläutert.
-
Es zeigen schematisch Fig. 1 im Längsschnitt die Brenner- und Brennkammerausbildung;
Fig. 2 im Schnitt'den MUndungabereich des Brenners in die Brennkammer;
Fig.
3 vergrflßert im Schnitt einen Flammhalter; Fig. 4 im Schnitt eine bevorzugte Anordnung
der Flammhalter im Mündungsbereich; Fig. 5 in perspektivischer Darstellung eine
besondere Ausführungsform der Flammhalter; Fig. 6 im Schnitt eine weitere Ausführungs-
und Anordnungsart der Flammhalter; Fig. 7 perspektivisch Brenner und Brennkammer
in einer beworzugten Ausführungsform.
-
Gemäß Fig. - 1, 7 wird die Luft mittels eines nicht dargestellten
Luftförderelementes in die Luftzufuhröffnung 4 eingespeist, während das Brenngas
seitlich in das Gaszumischelement 6 eingedrückt wird, das - vorzugsweise als Rohr
mit kreiaförmigem Querschnitt ausgebildet - snströmseitig über seine ganze, sich
quer zur Strömungarichtung erstreckende Länge mit einer Vielzahl von kleinen Löchern
8 versehen ist, wobei der Gesamtlochquerschnitt kleiner ist als der Gesamtquerschnitt
des Gaszumischelementes 6.
-
Das Geszumischelement 6 ist mit Zwangsführuntgsleitschalen 9, wie
dargestellt, versehen, die mit dem Mischrohr 6 einen etwa ringförmigen, an- und
abströmseitigen den offenen Luft-Gasmischkanal lo als einzige Strömungspassage bilden.
Diese Zwangaführungsleitschalen 9 sitzen;entweder direkt an den oberen und unteren
Wänden des Brennerkanales 5 oder an kleinen Zwischenstegen 9'. Hinter dem Luft-Gasmiachkanal
lo tritt das Luft-Gasgemisch stark turbulent in den von da aus enger werdenden Brennerkanal
5 ein und zwar in
Form von grobballigen Mirbeleinheiten.
-
Dieser turbulente Strömungszustend, der für eine schnelle Durchmischung
wünschenswert ist, muß schnellstens wieder gedämpft werden, da sich sonst, angeregt
durch die Turbulenz, die Flamme aus der Brennkammer 3 mit größtmöglicher Fortpflanzungsgeschwindigkeit
in den Luft-Gasgemischraum bewegen könnte.
-
Diese Dämpfung wird in vorteilhafter Weiterbildung einerseits erreicht
durch Anordnung eines bspw. in Form eines Lochbleches, Siebes od. dgl. Gitters 11
hinter der Gasmischstelle im Brennerkanal 5 wodurch die groben, turbulenten Strömungsballen
in feinballige umgewandelt werden und andererseits dadurch, daß die Schwankungsbreite
dieser isentropen Turbulenz durch eine starke anschließende Beschleunigung der Strömung
reduziert wird. Dies erfolgt durch zunehmende Reduzierung der Querschnitte des Brennerkanales
5 und zwar im Verhältnis von etwa 1 : 2 zwischen Gaszumischstelle 1 und Mündungsbereich
2, der durch die Abstands- und Flammhalter 7 weiter ebenfalls etwa im Verhältnis
1 : 2 reduziert wird. Durch diese Elemente wird die Gesamtströmung in einzelne Flachstrahlen
aufgeteilt.
-
Auf der gesamten Wegstrecke ist darauf zu achten, daß weder durch
Kanten oder sonstige Störkörper Strömungsablösungen auftreten können. Umlenkungen
z.B. sind deshalb mit besonders starker Beschleunigung gekoppelt.
-
Neben der Aufgabe, die Strömung zu beruhigen und auch noch in diesem
Bereich zu beschleunigen, haben die Abstands- und Flammhalter die Funktion, ein
diskontinuierliches Abreißen der Flamme vom Mündungsbereich zu unterbinden, bzw.
eine Schwingungsregung des Gas-Luftgemisches auszuschalten und eine sichere Durchzündung
des Gas-Luftgemisches zu gewährleisten.
-
Wie aus den Fig. erkennbar, sind im Mündungsbereich 2 mehrere Flammhalter
7 angeordnet, die die Strömungspassage weiter verengen und die Gesamtströmung in
besser durchzündbare Flachstrahlen aufteilen.
-
Das Verhältnis der Länge der Spalten zwischen den Abstandshaltern
7 zu ihrer Höhe beträgt etwa das Zehn- bis Fünfzehnfache.
-
Setzt man nun voraus, daß die Gemischzündung bzw. die Zündung der
aus dem Brennerkanal in die Brennkammer 3 eintretenden Flachstrahlen kontinuierlich
jeweils aus der Strahlwurzel heraus erfolgt, dann ist selbst bei kleiner Flammgeschwindigkeit
h , die nach (Re, h, t) eine Funktion der Reynoldszahl, der Spalthohe und der Zeit
ist und großer Strömungsgeschwindigkeit wst des Strahles eine Durchzündung vor dem
Auftreffen auf das Strahlungsgut gesichert. Alle Turbulenzballen müssen gezündet
haben und können dann aufgrund eines Diffusionsvorganges auch im Strahlungsgut abbrennen.
-
Die Durchzündlänge würde z.B. bei einem Brennerkopf mit h = vier mm
Spalthöhe zwischen den Abstandshaltern 7 und etwa 20 m/sec
Strahlanfangsgeschwindigkeit
bei Erdgas ( t # 0,9 m/sec ) etwa 4,4 cm und bei Stadtgas ( Ams 1, 1, 6 m/sec )
etwa 2,5 cm betragen.
-
Die Durchzündlänge verkürzt sich durch die Flammengeschwindigkeitsvergrößerung
mit zunehmender Brennkammertemperatur.
-
Hinter den Abstandhaltern 7 ergeben sich Strömungsschatten, in die
ständige Rückströmgase eintreten, dort zünden und wegen der dort extrem niedrigen
örtlichen Geschwindigkeiten als atationäte Flamme auftreten, die demnach als Halteflamme
bezeichnet werden kann. Vorzugsweise werden die Flamm und Abstandhalter 7 gemäB
Fig. 3 als abströmseitig offene Hohlkörper ausgebildet und anströmseitig mit kleinen
Löchern 13 versehen, deren GröRe kleiner als der Ldschabstand ist, durch die ebenfalls
in geringem Umfang Gasgemisch eintritt, das die Hilfsflamme speist. Neben dieser
Zündhilfe ist es ferner vorteilhaft, die einzelnen Flachstrahlen so zu staffeln
(siehe Fig. 4), daß auch die Hauptflammen sich gegenseitig zünden.
-
Neben den Halteflammen kann auch jeweils der untere gezündete Flachstrahl
den jeweils gestaffelten nächsten zünden. Die Staffelungstiefe sollte etwa der halben
Durchzündlänge entsprechen.
-
Eine weiche Zündung erhält man außerdem dadurch, daß die abstrßmseitigen
Ränder 14 der Abstand- oder Flammhalter 7 nicht gerade sondern sägezahnförmig ausgebildet
werden (Fig. 5)..Der Zündungsverlauf erfolgt dann in etwa zick-zack-förmig.
-
Unter Zündung ist hierbei natürlich nicht die Anfangszündung bei Inbetriebsetzung
des Heizkessels, die mit Elektroden 18 gemäß Fig. 4 erfolgt, zu verstehen, sondern
die permanente und selbsttätige Durchzündung des Gas-Luftoemisches unmittelbar hinter
den Abstands- und Flammhaltern 7.
-
Einer möglichen"Flatterneigung" der in der Brennkammer 3 gezündeten
Flamme kann dadurch entgegengewirkt werden, daß man den obersten Flachstrahl an
der geneigten oberen Brennkammerwand 15 anliegen läßt, d.h., der oberste Abstandshalter
7 wird in der vorerwähnten Distanz von der sich in den Mündungsbereich erstreckenden
Brennkammerdecke 15 angeordnet, die in Rücksicht auf die hohe Wärmebelastung vorzugsweise
als mit bspw. Wasser kühlbare Hohlwand 16 ausgebildet ist.
-
Die Verlaufsebenender Abstandshalter 7 sind vorzugsweise parallel
zum Verlauf der ebenen, aber geneigten Brennkammerdecke 15 angeordnet.
-
Gemäß Fig. 7 wird die Ausbildung von Brennkammerkanal und Brennkammer
3 so getroffen, daß der Hauptteil des Brennerkanales 5 und die Brennkammer 3 übereinander
angeordnet und diese durch einen Kanalkrümmer 5' miteinander verbunden sind, wobei
die im Mündungsbereich 2 des Brennerkanales 5 in die Brennkammer 3 Abstands- und
Flammhalter 7 mindestens mit ihren anströmseitigen Enden 16 entsprechend gebogen
in den Kanalkrümmer 5' einragend angeordnet sein können.
-
Die Einströmquerschnitte F1 sind dabei vorzugsweise größer als die
Ausstromquerschnitte F2 (Fig. 6) für die Flachstrahlen. Löcher 13' zur Zuführung
von Hilfsgasströmen in die Flammhalter können in den Wandungen, wie angedeutet,
angeordnet werden.
-
Die Anordnung gemäß Fig. 7 hat den Vorteil einer hohen Beschleunigung
der Gasströmung im Krümmerhereich und außerdem kann der qanze Brenner mit der Brennkammer
gewissermaßen als in sich geschlossenes Kopfstück auf den Strahlungsheizkeasel aufgesetzt
werden, von dem in Fig. 7 nur der obere Teil mit der Strahlungsköeperschüttung 17
angedeutet ist. Die kühlbare Hohlwand 16 bildet dabei einerseits die Decke 15 der
Brennkammer 3 und andererseits die Bodenfläche des Brennerkanales 5 und die innere
Begrenzungswand des Kanalkrümmers 5'. Durch die Neigung der Hohlwand 16 ergibt sich
zwangsläufig einerseits der keilförmige Querschnitt der Brennkammer 3 und andererseits
die zunehmende Querschnittsreduzierung des Brennerkaneles 5. Wie in Fig. 7 angedeutet
kann, um Strömungsablösungen zu vermiden, ein Leitblech 21 vorgesehen werden, wie
überhaupt der ganze Krümmerbereich durch ein an den Kanal 5 anflanschbares, in diesem
Sinne strömungsgfinstiges Krümmerstück ausgebildet werden kann, in dessen unterem
Ausmündungsbereich die Flammhalter 7 angeordnet sind.
-
Gemaß Fig. 4 sind seitlich in der Brennkammer 3 im Bereich unmittelbar
vor dem Flammhalter 7 Zündelektroden 18 und ein Flammüherwachungselement 19 bspw.
in Form eines Ionisationsfühlers vorgesehen.
-
Ein seitliches Sichtfenster 20 ermöglicht die unmittelbare Beobachtung
der Brennerflamme.
-
Leerseite