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Mischkopf für Brenner kleiner Heizleistungen
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Die Erfindung betrifft einen Mischkopf für Kohlenasserstoff-und insbesondere
Heizöl-Brenner für kline Heizleistungen von inshesondere 10 000 bis 25 00 E/h bei
Brennstoffdurchsatzmengen im Bereich von insbesondere etwa 1 bis 2,8 kg/h gemäß
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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31ischköofe der vorstehend bezeichneten Gattung sind bereits mehrfach
bekannt. Bei diesen besteht die Staueinrichtung in einer einfach koaxial zum Mantelrohr
angeordneten Scheibe, wobei der äußere Scheibendurchmesser deutlich kleiner als
der Innendurchmesser des Mantelrohrs ist. Der zwischen dem äußeren Scheibenrand
und der Innenwandung des rlantelrohrs gebildete Ringspalt stellt dabei die Durchtrittsmüqlichkeit
für sekundäre Verbrennungsluft dar. In einem Verhältnismäßig geringen zustand hinter
der beschriebenen Stauscheibe ist die eigentliche Brennerdüse angeordnet, durch
die hindurch der Brennstoff ausqesnritzt und dabei zerstäubt wird. Bei den bisher
bekannten Mischköpfen findet jedoch in nachteiliger
Weise innerhalb
derselhen eine unvollkommene Verbrennung statt, während die Vervollständigung der
Verbrennung, also die Restverbrennung, innerhalb des Feuerraums eines zuqehörigen
Heizkessels oder dergleichen stattfindet. Die Zuführung der erforderlichen Verbrennunsluft,
also der nrimären Verbrennungsluft und der sekundären Verbrennungsluft sowie eines
evtl. Luftüberschusses, erfolgt durch das Mantelrohr hindurch von einem dem Brenner
zugeordneten Gebläse aus.
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Die Durchführung der Restverbrennunq im Feuerraum eines nachgeordneten
Kessels bereitet jedoch stets besondere Schazierigkeiten. Dies gilt inshesondere
schon deshalb, weil die Feuerräume unterschiedlicher Kessel verschiedener Hersteller
verständlicherweise unterschiedlich gestaltet sind, so daß für die Restverbrennung
unterschiedliche Feuerräume zur Verfügung stehen, von denen bestenfalls einer in
Hinblick auf die Durchführung der flestverbrennung optimal gestaltet sein kann.
Bedingt durch die verschiedene Gestaltung der Feuerräume stellen sich unterschiedliche
Strömungen in diesen ein, die die Plammenbildung in großem Maße beeinflussen und
dabei die Restverbrennung erheblich storen. Ein gutes Anzeichen für die Abhänqigkeit
der Güte der Restverbrennung unter Verwendung eines beliebigen vorbekannten Mischkopfes
ist die Tatsache, daß der Versuch der Durchführung der Restverbrennung im freien
Raum, also ohne besonders gestalteten Feuerraum, praktisch fehlschlägt, indem die
Flamme nach oben "leckt" und stark rußt. Dies alles ist ein Anzeichen dafür, daß
die bekannten xtischkönfe ihre Aufgabe nur in sehr mangelhafter Weise erfüllen.
Im übrigen besteht die Gefahr einer weiteren Verschlechterung der Cesamtverbrennung
bei den bekannten Mischköofen dann, wenn die keinesfalls auch nur annähernd optimale
Verbrennung des Brennstoffs zu Ablagerungen an der Stauscheibe führt , wodurch die
Strömungsverhältnisse der primären und der sekundären Verbrennungsluft derart beeinträchtiat
werden
können, daß die Bildung von Ablagerungen noch weiter beschleunigt wird, es schließlich
gegebenenfalls sogar zu einem endgültigen Erloschen der Flamme kommt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufaabe zuqrunde, den Mischkopf der
eingangs bezeichneten Gattung derart abzuändern und zu verbessern, daß ontimale
Verbrennungsverhältnisse erreicht werden und damit die toglichkeit geschaffen wird,
einen mit dem erfindungsgemäßen Mischkopf ausgestatteten Brenner in Verhindung mit
hinsichtlich ihres feuerraumes unterschiedlich gestalteten Kesseln zu verwenden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichenteil des
Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelost.
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Die dabei vorgesehene besondere Gestaltung der Staueinrichtunq in
der Form der zentralen Scheibe, des außen an diese anschließenden Kegelstumpfmantels
und des Pingflansches führt zu solchen Strömungsverhältnissen der nrimären und der
sekundären Verbrennungsluft, daß der gesamte durch die Düse zugeführte Brennstoff
innerhalb der von dem Mischkopf gebildeten Mischeinrichtung rückstandsfrei verbrennt.
Unterschiedliche Feuerraumformen und -größen sowie unterschieddliche Strömungsverhältnisse
in diesen Räumen haben auf die Flamme keinen Einfluß. Dies haben besonders deutliche
Versuche gezeigt, bei denen ein mit dem erfindungsgemäßen Mischkopf ausgestatteter
Brenner ohne nachgeschalteten Feuerraum eines zugehoriven Kessels betrieben worden
ist. hierbei handelt es sich also um eine Verbrennung in "freier" Atmosphäre. Dabei
war festzustellen, daß die Flamme vollständig sauber hrannte, keine Geruchsbildung
entstand und auch kein Teil des Brennstoffnebels etwa seitwärts abgesorüht wurde.
Diese Brennverhältnisse sind darauf zurückzuführen, daß durch die erfindungsgemäß
Gestaltung des mischkopfs solche Strömungsverhältnisse und - geschwindigkeiten der
Verbrennungsluft ausgebildet werden, daß eine qute Vermischung des von der Düse
ausgespritzten
Brennstoffnebels mit der Verbrennungsluft eintritt und dieses so gebildete Gemisch
stabilisiert wird. Die Güte der Vermischung und die Stabilisierung des Gemischs
sind dafür verantwortlich, daß bereits in der Flammenwurzel eine heiße Zone erreicht
wird. Diese heiße Zone sorgt ihrerseits für eine gute innere Erwärmung des ttischkopfs
bzw. der besonders gestalteten Staueinrichtung, so daß die durch diese Staueinrichtung
hindurchgeführte Verbrennungsluft, zumindest was den die sekundare Verbrennungsluft
darstellenden Anteil betrifft, voreritärmt wird. Diese vorerstärmte Luft wird durch
die in mehreren Reihen vorgesehenen Durchtrittsöffnungen durch die Staueinrichtung
hindurchgeführt, also in mehreren an sich voneinander separaten Strömungszonen,
wohei es zur Ausbildung hoher Strömungsgeschwindigkeiten kommt mit der Folge, daß
die so zugeführten Luftmengen sehr stark, stabil und gleichmäßig der zunächst unter
Verbrauch der primären Verbrennungsluft abbrennenden Flamme zugeführt werden, so
daß die Restverbrennung des Brennstoffs unter praktisch optimalen Verhältnissen
und guter Flammenstabilisierung erfolgt. Infolge der Güte der erreichten Verbrennung
sind im übrigen weder an der Staueinrichtung noch an dem Mischkopf in seiner Gesamtheit
Ablagerungen zu beobachten.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen otischkopfs sind
aus den Unteransprüchen zu ersehen.
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Unter Berücksichtigung des der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden
Prinzips und einzelner der besonderen Weiterbildungsmaßnahmen können Mischköpfe
erreicht werden, die zumindest für den praktischen Gebrauch als tatsächlich oDtimal
bezeichnet werden dürfen.
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Im folgenden wird die vorliegende Erfindung an Hand eines besonderen
Aus führungsbeisnie ls und unter gleichzeitiger Bezugnahme
auf
die entsrechende zeichnerische Darstellung weiter ins einzelne gehend beschrieben;
in der Zeichnung zeigt: Figur 1 einen Längsschnitt durch das besondere Ausführungsbeissiel
eines erfindungsgemäßen Mischkopfs und Figur 2 einen Querschnitt entsprechend der
Linie II-II der Figur 1.
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Das dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgema3en Mischkopfes
besteht prinzipiell einerseits aus einem Mantelrohr 1 und andererseits aus einer
Staueinrichtung 2.
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Das Mantelrohr 1 kann dabei eine Verlängerung oder Bestandteil des
Luftzuführungsrohres sein, mittels dessen die Verbrennungsluft von einem dem Mischkopf
vorgeschalteten Brennergeblase zugeführt wird. Das Mantelrohr 1 ist an seinem vorderen
freien Ende im Durchmesser verjüngt, und zwar bei dem dargestellten Beispiel in
stetiger und linearer Form.
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Die Staueinrichtung 2 ist gebildet von einer zentralen Platte 3, einem
an deren Außenrand mit seinem im Durchmesser engeren Ende anschließenden Kegelstumofmantel
4 und einem an dessen den größeren Durchmesser aufweisenden Ende anschließenden
Rinqflansch 5. Die von den Teilen 3, 4 und 5 gebildete Staueinrichtung 2 ist rotationssymmetrisch
ausgebildet und koaxial im Inneren des Mantelrohres 1 angeordnet, wobei sie sich
mit dem Außenrand ihres Ringflanschs 5 an der Innenwandung des Mantelrohres 1 abstützt,
und zwar in demjenigen Bereich dieser Wandung, wo die nach innen gerichtete Verjüngung
des Mantelrohres 1 beginnt.
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Im Zentralbereich der zentralen Scheibe 3 ist eine zentrale Durchtrittsöffnung
6 vorgesehen. Der um diese öffnung 6 herumgelegene Bereich der zentralen Scheibe
3 besteht im
einzelnen aus Lamellen 7, und zwar bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel aus zwölf in Umfangsrichtung nebeneinanderliegenden Lamellen
7. Die einander jeweils henachbarten Ränder dieser Lamellen 7 schließen durch entsprechende
Schrägstellung der Lamellen 7 Spalten 8 zwischeinander ein.
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Zur Vereinfachung der Darstellung sind diese Spalten 8 in Figur 1
als einfache Radialspalten dargestellt; in der Praxis hat man sich jedoch vorzustellen,
daß der eine Radialrand einer ersten Lamelle 7 in Axialrichtunq des Mischkopfs durch
die bereits angesprochene Schrägstellung der Lamellen 7 axial etwas vor dem unmittelbar
benachbarten Rand der benachbarten Lamelle liegt.
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Durch die genannte Schrägstellung der Lamellen 7 und die entsprechende
Anordnung der Spalten 8 wird die durch die Spalten 8 hindurchgeführte primäre Verbrennungsluft
an der von dem nicht dargestellten Brenner abgelegenen Seite der zentralen Scheibe
3 in eine gewisse Potationsbewegung versetzt. Diese Rotationsbewegung stabilisiert
die Flammenwurzel, in der der mittels der nur noch teilweise angedeuteten Brennstoffdüse/ausgespritzte
Brennstoff zusammen mit der durch die zentrale nffnung 6 hindurchtretenden Drimären
Verbrennungsluft verbrennt. An dieser Verbrennung nimmt selbstverständlich in gewissem
Ausmaß, wenn nicht sogar vollständig, auch der durch die Spalten 8 hindurchtretende
Teil der primären Verbrennungsluft teil.
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Sowohl im Kegelstumsfmantel 4 als auch im Ringflansch 5 sind reihenweise
Durchtrittsöffnungen 10a bzw. lob und 11 vorgesehen. Diese Durchtrittsöffnungen
lOa, lOb und 11 dienen dem freien Durchtritt sekundärer Verbrennungsluft. Die solchermaßen
zugeführte sekundäre Verbrennungsluft umgibt die unter Ausnutzung der primären Verbrennungsluft
entstehende Flamme in einer solchen Weise, daß die Flamme weiter stabilisiert wird
und die für eine stöchiometrische Verbrennung des jeweils zugeführten Brennstoffs
erforderliche Luft zuSeführt
wird, so daß eine vollständige Verbrennungstatfinden
kann. Gleichzeitig ist die sekundäre Verbrennungsluftmenge jedoch so bemessen, daß
zumindest in der Regelein gewisser Luftüberschuß gegeben ist mit der Folge, daß
die stochiometrische Verbrennung der jeweiligen Brennstoffmenge unbedingt gesichert
ist.
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In Figur 1 sind zwar zwei Reihen von Durchtrittsöffnungen, nämlich
lOa und loch, für die sekundäre Verbrennungslufft vorgesehen, die Darstellung gemäß
Figur 2 zeiqt jedoch diesbezüglich die Minimal form, nämlich lediglich eine einzige
Reihe von Durchtritsöffnungen 10a.
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Bei einer in praxisbezogenen Versuchen erprobten Ausführunqsform sind
folgende Abmessungen vorgesehen gewesen: Innendurchmesser des Mantelrohres 1 85
mm, Innendurchmesser des verjüngten Endes des lantelrohres 1 72 mm, Axiallänge des
verjüngten Bereichs des Mantelrohres 1 18 mm, Durchmesser der zentralen Scheibe
3 54 mm, Innendurchmesser des Ringflanschs 5 73 mm, Axiallänge des Kegelstunnfmantels
2 (einschlienlich Wandstärke der zentralen Scheibe 3 und des Ringflanschs 5) 26
mm, Durchmesser der zentralen öffnung 6 20 mm, Anzahl der Lamellen 7 10, Anzahl
der in einer einzigen Reihe im Kegelstumpfmantel 2 angeordneten Durchtrittsöffnungen
10a 11, Anzahl der im Ringflansch 5 angeordneten Durchtrittsöffnungen 11 22, Durchmesser
der Durchtrittsöffnunaen 10a, 10b und 11 2 mm, Axialerstreckung der Spalten 8 0,8
mm, Anordnung der Durchtrittsöffnungen 10a im Kegelstumnfmantel 2 etwa im Bereich
von 75 % der Axialerstreckung des Kegelstumofmantels 2 gemessen von der zentralen
Scheibe 3 aus.
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Wegen der mit dieser besonderen Ausführungsform erreichten Vorteile
bzw. Verbrennungszustä.nde wird auf die in der Einleitung der Beschreibung diesbezüglich
gemachten Angaben verwiesen.
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Die aus den Teilen 3, 4 und 5 bestehende Staueinrichtung 2 sollte,
wie dies im übrigen bei der erprobten Ausführungsform der Fall war, aus einem Blech
von weniger als 1 mm Dicke bestehen. Ein derartiges Blech wird unter der Einwirkung
der Wärme der Flammenwurzel sehr schnell erwärmt und gestattet eine gute Niärmeabgabe
an die an der Staueinrichtung 2 vorbeiströmende sekundäre Luft, so daß diese sekundäre
Luft nach ihrem Durchtritt durch die Durchtrittsöffnungen 10a, lOb und 11 bereits
in vorerwärmter Form der "Nachbrenn"-Zone zugeführt wird. Gleichzeitig wird aber
auch eine gewisse Vorerwärmung der primären Verbrennungsluft erreicht, soweit diese
durch die Spalten 8 hindurchtritt.
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Gleichzeitig sollten, was sich in der zeichnerischen Darstellung schlecht
zum Ausdruck bringen läßt, die Gesamtquerschnittsfläche der Durchtrittsöffnunaen
6 und 8 einerseits und der Durchtrittsöffnungen 10a, lob und 11 andererseits so
bemessen sein, daß die primäre Verbrennungsluft etwa 65 bis 80 %, vorzugsweise 70
bis 75 %, der jeweils stöchiometrisch erforderlichen Luftmenge ausmacht, während
die sekundäre Verbrennungsluft den Rest auf 100 z ausmacht plus eines evtl. vorgeseh2nen
stöchiometrischen Luftüberschusses.
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Die angestrebte Güte der Verbrennung kann noch weiter verbessert werden,
wenn der erfindungsgemaße Mischkopf in Verbindung mit einem Brenner verwendet wird,
dem vorgewärmtes Heizöl oder dergleichen zugeführt wird.