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Brenner für gasförmige und flüssige Brennstoffe
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- Ansprüche -
Die Erfindung bezieht sich auf einen
Brenner für die Verwendung in Verbindung mit metallurgischen Öfen.
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Insbesondere betrifft die Erfindung einen Brenner welcher unter Verwendung
von Luft oder Sauerstoff als Oxydationsmittel für einen gasförmigen oder flüssigen
Brennstoff wirksam mit einem sehr fetten Brennstoff/ Sauerstoffverhältnis arbeiten
kann.
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Bei der Durchführung von metallurgischen Verfahren wie Schmelzen und
Veredeln von Eisen und Stahl, Glühen oder anderen Wärmebehandlungen müssen eine
Erzcharge oder einer Metall- bzw. Stahlschmelze große Wärmemengen bei relativ hohen
Temperaturen zugeführt werden. Außerdem muß zuweilen auch eine Schutzatmosphäre
für das Verfahren geschaffen werden. Wegen der hohen Kosten für Brennstoffe und
der begrenzten Verfügbarkeit von Erdgas als Brennstoff ist die Verwendung von Brennern
erwünscht, welche wirksam mit gasförmigen Brennstoffen, gewöhnlich Erdgas oder Methan,
oder mit flüssigen Brennstoffen wie Erdöl zu arbeiten vermögen.
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Ferner ist die Verwendung eines Brenners erwünscht, welcher die Verwendung
von Luft oder Sauerstoff als Oxydationsmittel ermöglicht. Im Hinblick auf letzteres
ist zu berücksichtigen, daß der zu ca. 80 in der Luft enthaltene Stickstoff inert
ist und einen Ballast darstellt, welcher einen beträchtlichen Wärmeverlust im Hinblick
auf die nutzbare Wärme in den Abgasen eines
metallurgischen Verfahrens
verursacht. Dieser Verlust kann zwar dadurch verringert werden, daß die normaler
Weise für eine Verbrennung verwendete atmosphärische Luft durch Sauerstoff oder
mit Sauerstoff angereicherte Luft ersetzt wird, wobei jedoch die Flammentemperatur
innerhalb des Brenners bis zu einem Punkt ansteigen kann, an welchem hitzebeständige
Werkstoffe im Bereich des Brenners oder der Brenner selbst geschädigt werden oder
die Betriebslebensdauer des Brenners wesentlich verkürzt wird.
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Unter Anwendung verschiedener Theorien wurde bereits eine große Anzahl
von Brennern entwickelt, mittels welcher die Wirksamkeit der Verbrennung gesteigert
werden sollte. Bei einem in der US-PS 1 656 907 beschriebenen Brenner werden ein
gasförmiger Brennstoff und Luft in einander lotrecht beaufschlagenden Strahlen zugeführt,
wobei eine Anzahl solcher Strahlen in Axialrichtung des Brenners ausgerichtet ist
und eine andere Anzahl von Strahlen tangential zugeführt wird, so daß eine Wirbelströmung
des Gemischs in einer Mischkammer entsteht.
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Dabei wird die Flamme in einem vergleichsweise kurzem Bereich gebildet.
Die US-PS 3 576 384 beschreibt einen Wirbelstrombrenner für flüssige Brennstoffe,
bei welchem ein zerstäubter Brennstoff der Brennkammer in Axialrichtung zugeführt
wird, während die Verbrennungsluft zunächst eine Wirbelkammer durchströmt und dann
über eine
Reihe von konzentrisch konvergierenden Düsen in die Brennkammer
eintritt. Die Verwendung der konzentrisch konvergierenden Düsen verhindert das verkoken
des Brenners durch Verringerung des Rückstroms von heißen Verbrennungsgasen entlang
der Achse des Brenners.
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Die US-PS 3 748 087 beschreibt eine andere Ausführungsform eines Wirbelstrombrenners
für flüssige oder gasförmige Brennstoffe, bei welchem der Brennstoff in Axialrichtung
einem besonders geformten Flammentunnel zugeführt wird, während die Verbrennungsluft
zunächst eine Wirbelkammer durchetrömt und dann am Eingang des Flammentunnels mit
dem Brennstoff vermischt wird. Dabei kann ein sehr mageres Brennstoff/ Luftgemisch
verwendet werden. Die US-PS 3 809 525 zeigt eine ähnliche Anordnung, bei welcher
ein Wirbelstrombrenner für die Entwicklung einer flachen Flamme eingerichtet ist.
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Die US-PS 3 857 672 beschreibt einen sogenannten Dreibrennstoffbrenner,
bei welchem ein flüssiger oder gasförmiger Brennstoff mit Luftüberschuß in einer
axialen Brennkammer verbrannt wird, an der Abströmseite der axialen Brennkammer
ein gasförmiger Brennstoff tangential zugeführt wird und in einer noch größeren
Entfernung an der Abströmseite der Brennkammer ein magerer gasförmiger Brennstoff
tangential zugeführt wird.
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Für metallurgische Verfahren, welcher eine Schutzatmoschare, beispielsweise
einer reduzierenden Atmösphäre bedürfen, ist die Verwendung von Gasgeneratoren allgemein
bekannt. Mittels einer von außen beheizten und einen Katalysator sowie ein geeignetes
Gasgemisch enthaltenden und die notwendigen Eemperatursteuereinrichtungen usw. aufweisenden
Retorte läßt sich beispielsweise eine 40% Wasserstoff, 40 Stickstoff und 20% Kohlenmonoxid
enthaltende Atmosphäre erzeugen. Eine ähnliche Atmosphäre ist mittels einer Amoniak-Dissoziationseinrichtune
erzeugbar. Derartige Anlagen sind jedoch sehr kompliziert und teuer in der Anschaffung
sowie im Betrieb.
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Unter Berücksichtigung des Vorstehenden schafft die Erfindung einen
Brenner mit einer im wesentlichen zylindrischen, hitzebeständig ausgekleideten und
ein offenes Ende aufweisenden Misch- und Brennkammer, wenigstens einem mit der Misch-
und Brennkammer strömungsverbundenen Brennstoffeinlaß, einem mit der Misch- und
Brennkammer strömungsverbundenen Zündmitteleinlaß und einer im Zündmitteleinla3
angeordneten Zündeinrichtung, welcher gekennzeichnet ist durch eine nahe dem dem
offenen Ende gegenüberliegenden Ende der Misch- und Brennkammer koaxial in dieser
angeordnete Brennerscheibe, deren Durchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser
der Misch- und Brennkammer und welche entlang
ihrem Umfang abgeschrägt
ist, so daß zwischen ihr und der Wandung der Misch- und Brennkammer ein ringförmiger
Durchlaß für ein Oxydationsmittel gebildet ist, welcher eine sich in Richtung auf
das offene Ende der Misch- und Brennkammer vergrößernde Querschnittsfläche aufweist.
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Bei Verwendung eines gasförmigen Brennstoffs wird dieser an der Abströmseite
der Brennerscheibe in die Misch-und Brennkammer eingeführt, während bei Verwendung
eines flüssigen Brennstoffs dieser in Axialrichtung durch die Brennerscheibe hindurch
eingeführt wird. Bei Verwendung einer tangentialen Gaseinlaßenanordnung ist eine
zur Erzeugung der notwendigen hohen Temperaturen ausreichende Durchmischung gewährleistet,
wobei jedoch die Demperaturen auf einen Wert begrenzt sind, bei welchem keine Schädigung
der aus rostfreien Stahl oder keramischen Werkstoff gefertigten Brennerscheibe eintritt.
Bei Verwendung von flüssigen Brennstoffen entsteht eine Flamme von stärkerer Leuchtkraft
und größerem Strahlungsvermögen. In diesem Falle ist zusätzlich zu der durch den
Durchtritt des Oxydationsmittels um die Brennerscheibe herum bewirkten Kühlung eine
weitere Kühlung der Brennerscheibe wünschenswert.
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Bei dem erfindungsgemäßen Brenner ergeben sich die hoch* sten Flammentemperaturen
in einem mittleren Bereich der Misch- und Brennkammer in einem größtmöglichen Abstand
von
den hitzebeständig ausgekleideten Wänden derselben, so daß eine Schädigung der Auskleidung
vermieden ist.
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Der erfindungsgemäße Brenner eignet sich insbesondere für die Verwendung
in Verbindung mit einem Kuppelofen bzw. in einem direkten Reduktionsverfahren, bei
welchem die Aufrechterhaltung einer reduzierenden Atmosphäre im Kuppelofen erwünscht
ist. Durch die Verwendung eines Gemischs aus Brennstoff und Oxydationsmittel mit
einem sehr fetten Brennstoff/ Sauerstoffverhälnis läßt sich eine sehr wirksame Flamme
von hoher Leuchtkraft erzeugen und dabei gleichzeitig eine reduzierende und nicht
entkohlende Atmosphäre an der Abströmseite der Brennkammer des Brenners aufrecht
erhalten. Das gemäß der Erfindung anwendbare große Brennstoff/ Sauerstoffverhältnis
ergibt eine hohe Konzentration von Wasserstoff und Kohlenmonoxid in den Verbrennungsprodukten
und ermöglicht die Erzielung von geperaturen über 10070 Celsius.
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Gewöhnlich führt die Verwendung von Brenngemischen mit einem derartigen
Brennstoff/ Sauerstoffverhälnis zu einem schnellen Verkoken des Brenners' zu verlangsamten
Reaktionen und zuweilen zu einem Stillstand des Verfahrens. Bei dem erfindungsgemäßen
Brenner ist ein Verkoken durch eine gleichmäßige Durchmischung der Reaktionsteilnehmer
innerhalb der Brennkammer vermieden. Der erfindungsgemäße Brenner ist nicht auf
die Verwendung in Verbindung mit einem Kuppelofen beschränkt und kann auch
in
anderen metallurgischen oder chemischen Verfahren verwendet werden, bei denen die
Zufuhr von Wärme notwendig ist.
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Insgesamit sind mit dem erfindungsgemäßen Brenner die folgenden Vorteile
erreichbar. Der Brenner ist geeignet zur Erzeugung einer Flamme von hoher Leuchtkraft
und entsprechend hohem Strahlungsvermögen ohne Schädigung von hitzebeständig verkleideten
Flächen im Bereich des Brenners oder von Teilen des Brenners selbst. Der Brenner
kann unter Aufrechterhaltung einer stöchiometrischen Reaktion und unter Verwendung
von Luft, mit Sauerstoff angereicherter Luft oder Sauerstoff als Oxydationsmittel
mit einem sehr fetten Brennstoff/ Sauerstoffverhältnis bis hinab zu einem Sauerstoffgehalt
von 50 arbeiten und dabei eine reduzierende und nicht entkohlende Atmosphäre innerhalb
des Ofens erzeugen.
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Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematisierte, senkrechte Schnittansicht eines
Kuppelofens mit mehreren Brennern gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine in größeren Maßstab
dargestellte Axialschnittansicht eines erfindungsgemäßen Brenners für einen gasförmigen
Brennstoff,
Fig. 3 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie 3-3
in Fig. 2, Fig. 4 eine Axialschnittansicht eines für gasförmige oder flüssige Brennstoffe
sowie für Luft, angereicherte Luft oder Sauerstoff als Oxydationsmittel geeigneten
Brenners und Fig. 5 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. 4.
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Eine in Fig. 1 dargestelltgKuppel- Schmelzofen setzt sich zusammen
aus einem Herd 12, einem Ofenkörper 14 und einem Kuppelteil 16. Der Herd 12 des
Ofens 10 weist eine Reihe von Brennern 18 auf.
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Der Körper des Kuppelofens 10 hat einen zylindrischen Stahlmantel
20 mit einer fest darin angeordneten Auskleidung 22 aus hitzebeständigen Werkstoff.
Eine innerhalb der fest angebrachten Auskleidung 22 angeordnete innere Auskleidung
24 umgibt einen mit einer Charge beschickbaren Schacht 26. Der Herd 12 des Ofens
10 hat ebenfalls einen äußeren Stahlmantel 24, eine fest angebrachte Auskleidung
30 aus hitzebeständigen Material und eine innere Auskleidung 32, welche einen Vorschmelzbereich
24 und einen Herdbereich 36 umgibt. Am Mantel 28 des Herdes ist eine Reihe von Brennerstutzen
38 angebracht.
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Diese haben jeweils einen äußeren zylindrischen Stahlmantel 40 mit
einer rohrförmigen Auskleidung 42 aus hitzebeständigem Material und am äußeren Ende
einen Flansch 44 für den Anschluß des jeweiligen Brenners 18.
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Zwischen zwei Brennerstutzen 38 mündet eine mit hitzebeständigen Material
47 ausgekleidete Abstichrinne 46 ein kleines Stück ooerhalb des Bodens in den Herd
12.
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Vom Boden des Herdes 12 geht eine ebenfalls hitzebeständig ausgekleidete
Ablaufrinne 48 aus, welche gewöhnlich mit einem Tonstopfen 49 verschlossen ist.
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Nahe dem oberen Ende hat der Körper 14 des Ofens 10 einen Auslaß 50,
über welchen die Ofengase entweichen oder anderen Verfahrenseinrichtungen zugeführt
werden können.
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Das obere Teil 16 des Ofens 10 enthält vorzugsweise eine abdichtende
Beschickungseinrichtung, welche ein Entweichen der Ofengase verhindert. Die in Fig.
1 dargestellte Beschickungseinrichtung umfaßt eine untere Glocke 52 und eine obere
Glocke 54 welche unabhängig von einander über eine Zugstange 56 bzw. über ein diese
konzentrisch umgebendes Rohr 58 betätigbar sind. Die obere Glocke 54 dient als unterer
Abschluß eines im wesentlichen zylindrischen oberen Beschickungsschachts 60 und
als oberer Abschluß eines unteren Beschickungsschachts 62. Dieser hat ebenfalls
eine im wesentlichen
zylindrische Form und ist am unteren Ende
durch die untere Glocke 52 abgeschlossen. Für die Beschickung des Ofens kann ein
Schrägförderer 64 oder eine ähnliche Einrichtung vorgesehen sein.
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Die Charge für den Ofen ist beispielsweise ein Gemisch iL aus Eisen
und Stahlschrott und vorbehandeltem Erz für die Erzeugung einer Schmelze, welche
einen Kohlenstoffgehalt von etwa 1% - 3% und eine Temperatur zwischen etwa 13000
und 16000 Celsius aufweist. Die erfindungsgemäßen Brenner eignen sich insbesondere
für Die Verwendung an einem Kuppelofen der in Fig.1 gezeigten Art, eine reduzierende
und nicht entkohlende Atmosphäre innerhalb des Ofens aufrecht zu erhalten. Eine
in Fig. 2 dargestellte, für gasförmige Brennstoffe bestimmter Brenner hat einen
Flansch 66 für den Anschluß am Flansch 44 eines der Brennerstutzen 38 (Fig. 1).
Bei dem Flansch 66 handelt es sich um einen genormten Rohrflansch, an welchem ein
kurzes Rohrstück 68 angeschweißt ist. An der Außenseite eines an der Innenseite
des Rohrstücks 68 angeschweißten, kleineren Flanschs 70 ist ein zweites Rohrstück
72 kleineren Durchmessers angeschweißt. Am offenen Ende des Rohrstücks 72 ist ein
Gewindeflansch 74 angeschweißt. Der aus den Flanschen 66, 70, 74 und den Rohrstücken
68, 72 zusammengeschweißte Körper hat eine Auskleidung 76 aus einem gießbaren hitzebeständigem
Material.
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Die eine Endfläche der Auskleidung 76 verläuft bündig
mit
der offenen Seite des Flanschs 66 und das mittlere Teil der Auskleidung 76 ist von
einer mit der Gewindebohrung des Flanschs 74 konzentrischen Bohrung 77 durchsetzt.
Der Innendurchmesser des Flanschs 70 liegt zwischen dem Innendurchmesser des Rohrstücks
72 und dem Durchmesser der Gewindebohrung des Flanschs 74, wodurch die hitzbeständige
Auskleidung 76 innerhalb des Brenners 18 festgehalten ist.
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Eine auswärts am Gewindeflansch 74 hervorstehende Anschlußbuchse 78
trägt an ihrem freien Ende ein T-Stück 80.
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An beiden Ende hat die Anschlußbuchse 78 eine durch eine erweiterte
Bohrung gebildete Stufe 82, 84. Nahe den Stufen 82, 84 in der Anschlußbuchse 78
befestigte kreisförmige Scheiben 86 haben jeweils in der Mitte eine Gewindebohrung
88 und eine Reihe von entlang dem Umfang angeordneten Durchlässen 90. In die Gewindebohrungen
88 der Scheiben 86 ist ein Gewinderohr 92 eingeschraubt. Eine auf das äußere Ende
des Gewinderohrs 92 geschraubte Kontermutter 93 befindet sich in Anlage an der einen
Scheibe 86, um eine am anderen Ende des Gewinderohrs angebrachte Brennerscheibe
94 in der jeweils gewünschten Stellung relativ zu im folgenden beschriebenen Gaseinläss
98 festzustellen. Bei Verwendung der vorstehend beschriebenen Kontermutter 93 braucht
die Mittelbohrung 88 der der Kontermutter 93 benachbarten Scheibe 86 kein Gewinde
aufzuweisen. Die am anderen Ende des Gewinderohrs 92 sitzende
Brennerscheibe
94 ist kreisförmig und entlang ihrem Umfang abgeschrägt, so daß an der Seite, an
welcher das Gewinderohr 92 befestigt ist, ein schmaler Rand 96 vorhanden ist. Der
Durchmesser der Brennerscheibe 94 ist kleiner als der Innendurchmesser der Bohrung
77 in der Auskleidung 76, so daß dazwischen ein durchgehender Ringdurchlaß 97 für
den Durchtritt eines gasförmigen Oxydationsmittels gebildet ist.
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Das Rohrstück 72 und die Auskleidung 76 sind von zwei tangential zur
Bohrung 77 der Auskleidung 76 verlaufenden Bohrungen 98 durchsetzt ( Fig. 3). Die
Bohrungen 98 gehen vorzusweise von einander gegenüberliegenden Seiten des Rohrstücks
72 aus. Konzentrisch mit jeder Bohrung 98 ist jeweils eine Gewindemuffe 100 für
den Anschluß einer Zuleitung für einen gasförmigen Brennstoff am Rohrstück 72 befestigt.
Gegebenenfalls können auch mehr als die dargestellten zwei Bohrungen 98 vorhanden
sein. Der Abstand zwischen den Bohrungen 98 und der Brennerscheibe 94 beträgt in
Richtung auf den Anschlußflansch 66 ungefähr ein viertel des Durchmessers der Bohrung
77.
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An der Abströmseite der Bohrungen 98 und in geringem Abstand zu diesen
sind weitere, in bezug auf das Rohrstück 72 radial verlaufende Bohrungen 102 vorgesehen.
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KOnzentrisch mit den Bohrungen 102 sind Gewindemuffen 104 am Rohrstück
72 befestigt. Eine solche Muffe kann ein
Sichtfenster 106 enthalten,
während die andere der Aufnahme eines Ultraviolett-Sensors 108 dient. Eine weitere,
das Rohrstück 72 und die Auskleidung 76 nahe den Bohrungen 98 durchsetzende Bohrung
110 dient der Aufnahme eines Zündflammenhalters 112 oder einer anderen Zündeinrichtung,
welche in einer konzentrisch mit der Bohrung 110 am Rohrstück 72 angebrachten Gewindemuffe
114 befestigt ist.
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Das vorstehend erwähnte U-Stück 80 ist mit einem Ende auf die Anschlußbuchse
78 aufgeschraubt. Das gegenüberliegende Ende des T-Stücks 80 kann über eine (nicht
dargestellte) Steuereinrichtung mit einer Druckluftquelle verbunden sein. Der andere
Schenkel des T-Stücks 80 kann in gleicher Weise über eine weitere Steuereinrichtung
mit einer Sauerstoffzufuhreinrichtung verbunden sein. Durch entsprechende Bedienung
der jeweiligen Steuereinrichtungen kann der Misch- und Brennkammer des Brenners
über den Ringdurchlaß 97 Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder Sauerstoff
allein in verschiedenen Strömungsmengen zugeführt werden. In gleicher Weise wird
der Misch- und Brennkammer über die tangentialen Bohrungen 98 ein gasförmiger Brennstoff
in steuerbaren Mengen zugeführt.
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Innerhalb der Brennkammer wird das brennbare Gemisch aus Brennstoff
und Oxydationsmittel mittels des
Zündbrenners 112 oder einer anderen
Zündeinrichtung gezündet. Für die vollständige Verbrennung von in der Hauptsache
Methan enthaltendem Erdgas sind zwei Mol Sauerstoff für ein Mol Methan notwendig
wobei dann Kohlendioxid und Wasser gemäß der folgenden Formel entstehen: H 20 CO
2H O C + 202 CO, + 2H20 Für die Erzeugung einer reduzierenden und nicht entkohlenden
Atmosphäre kann die Sauerstoffzufuhr auf ein Mol für ein Mol Methan reduziert werden.
In diesem Falle enthalten dann die Verbrennungsprodukte Kohlenmonoxid und Wasserstoff,
welches beides aktive Reduktionsmittel sind.
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Der Verbrennungsvorgang kann über das Sichtfenster 106 und die Bohrung
102 optisch überwacht werden. Eine kontinuierliche Ijberwachung des Verbrennungsvorgangs
kann auf elektronischem Wege mittels des an der Bohrung 102 angebrachten Ultraviolett-Sensors
108 durchgeführt werden, wobei dessen Ausgangsignal als Sicherheitssignal verwendet
werden kann, um die an entfernter Stelle angeordneten Absperrventile für den Brennstoff
und das Oxydationsmittel zu betätigen. Die durch Mischung des Brennstoffs mit dem
Oxydationsmittel kann durch axiales Verstellen der Brennerscheibe 94 relativ zu
den Brennstoffbohrungen 98 beeinflußt werden. Wie vorstehend bemerkt, beträgt der
Abstand zwischen der Oberfläche der der Brennerscheibe 94 und der Mittellinie der
Brennstoffbohrungen
98 vcrzugsweise etwa ein viertel des Durchmessers
der die Misch- und Brenn cammer darstellenden Bohrung 77.
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Durch die Anordnung einer ebenen, einen abgeschrägten Rand aufweisenden
Brennerscheibe an der Zuströmseite von tangentialen Zufuhreinrichtungen für einen
gasförmigen Brennstoff ist eine ausreichende Durchmischung der Reaktionsteilnehmer
erzielbar, um eine Reaktionsgeschwindigkeit zu erzielen, bei welcher die Flammentemperatur
im Bereich der Mittelachse der Brennkammer an der Abströmseite der Brennerscheibe
94 Werte von mehr als 17000 Celsius erreicht. Die gleichmäßige Durchmischung der
Reaktionsteilnehmer und die hohen Temperaturen in der Brennzone verhindern ein Verkoken
der Brennkammer und des Ofens. Das den Ringdurchlaß 97 um die Brennerscheibe 94
herun durchsimende gasförmige Oxydationsmittel bewirkt gleichzeitig eine kontinuierliche
Kühlung der Brennerscheibe 94 und des angrenzenden Teils der Bohrung 77 der Auskleidung
76. Dadurch werden die Brennerscheibe 94 sowie die Auskleidung 76 ungeachtet der
im mittleren Bereich der Brennkammer herrschenden hohen Temperaturen nicht geschädigt.
Im Hinblick auf Widerstandsfähigkeit gegen Oxydation bei erhöhten Temperaturen ist
die Brennerscheibe 94 vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, sie kann jedoch auch aus
einem gegen hohe Temperaturen widerstandsfähigen keramischen Werkstoff sein.
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Der erfindungsgemäße Brenner erzeugt eine relativ lange Flamme im
Bereich der Mittelachse des Brenners, so daß die Freisetzung sehr großer Wärmemengen
nicht zu einem übermäßigen Temperatursnstieg in einzelnen örtlichen Bereichen führt.
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Ein in einer anderen Ausführungsform der Erfindung in Fig. 4 und 5
beschriebene Brenner kann wahlweise mit einem gasförmigen oder einem flüssigen Brennstoff
und Luft, angereicherter Luft oder Sauerstoff als Oxydationsmittel betrieben werden.
In Fig. 2 und 3 dargestellten entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen
bezeichnet. Das vordere Ende des Rohrstücks 72 mit den Flanschen 66 und 70 und dem
Rohrstück 68 sind in Fig. 4 nicht dargestellt. Am anderen Ende des Rohrstücks 72
ist der Gewindeflansch 74 angeschweißt und der aus den Flanschen 66, 70 und 74 und
den Rohrstücken 68 und 72 gebildete Schweißkörper hat eine Auskleidung 76 aus einem
gießbaren hitzebeständigem Material. Die Auskleidung 76 hat eine mit der Gewindebohrung
des Flanschs 74 konzentrische Mittelbohrung 77, welcher eine Misch- und Brennkammer
darstellt.
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Eine am Gewindeflansch 74 auswärts hervorstehende Anschlußbuchse 116
trägt an ihrem äußeren Ende ein T-Stück 118.
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Zwischen dem Ende der Anschlußbuchse 116 und dem Körper des T-Stücks
118 ist eine erste Tragscheibe 120 angeordnet, welche von einer Mittelöffnung 122
und entlang dem
Umfang angeordneten Durchlässen 124 durchsetzt
ist.
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Eine zweite, von einer Mittelöffnung 122 und entlang dem Umfang angeordneten
Durchlässen 124 durchsetzte Tragscheibe 120 ist in das andere Ende des T-Stücks
118 eingesetzt und von einem hohlen Gewindestopfen 126 festgehalten. Ein Flhrungsrohr
128 ist durch den hohlen Stopfen 126 und die Mittelöffnungen 122 der beiden Tragscheiben
120 hindurchgeführt'und mit einem Ende am hohlen Stopfen 126 befestigt. Das andere
Ende des Führungsrohrs 128 ist mit einer Kupplungsmuffe 130 verschraubt, welche
am anderen Ende mit einem Tragrohr 132 für die Brennerscheibe verschraubt ist. Die
Kupplungsmuffe 130 hat an ihren Enden ein rechtsgängiges und ein linksgängiges Innengewinde,
mit welchem sich entsprechende rechts gängige bzw. linksgängige Außengewinde des
Führungsrohrs 128 bzw. des Tragrohrs 132 in Eingriff befinden. Am anderen Ende trägt
das Tragrohr 132 eine hohle Brennerscheibe 134. Eine Verdrehung der Kupplungsmuffe
130 bewirkt eine änderung der Axialstellung der Stirnfläche der Brennerscheibe 134
relativ zu den Bohrungen 98 und 102. Anstelle der vorstehend beschriebenen Verstelleinrichtung
können auch andere Einrichtungen dazu verwendet werden, die Brennerscheibe- 134
relativ zu den Bohrungen 98 und 102 zu verstellen. Die jeweilige Einstellung ist
abhängig vom gewünschten Brennstoff/ Sauerstoffverhältnis, von der Art des Brennstoffs
und des Oxydationsmittels und von der jeweiligen Brennerleistung
vorzugsweise
beträgt jedoch der Abstand zwischen der Stirnseite der Brennerscheibe 134 und der
Ebene, in welche die Bohrungen und/ oder die Zündeinrichtung 112 angeordnet sind,
ungefähr ein viertel des Innendurchmessers der Misch- und Brennkammer.
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Die Brennerscheibe 134 hat eine konzentrische Bohrung 136 für die
Aufnahme einer Zerstäuberdüse 138 für einen flüssigen Brennstoff. Eine in das Tragrohr
132 eingeschraubte Klemmschraube 140 greift mit einem Ende durch eine Öffnung 142
der Brennerscheibe 134 an der Außenseite der Zerstäuberdüse 138 an, um diese in
der richtigen Stellung relativ zur Stirnseite der Brennerscheibe 134 zu halten.
Die Brennerscheibe 134 hat eine mit einem rohrförmigen Teil 145 einstückige, ringförmige,
ebene Stirnfläche 144 und einen rückwärts abgeschrägten Umfangsrand 146. Eine an
der äußeren Kante des Randes 146 und am rohrförmigen Teil 145 angeschweißte Ringscheibe
148 bildet einen Abschluß für einen Kühlmittelraum 150 innerhalb der Brennerscheibe.
Ein Paar Leitungen 152 münden mit jeweils einem Ende durch Öffnungen 154 in der
Ringscheibe 148 hindurch im Kühlmittelraum 150 und sind am anderen Ende über die
Wandung des Tragrohres 132 durchsetzende Nippel 158 mit Kühlmittelleitungen 156
verbunden. Zwischen den beiden Öffnungen 154 ist eine radiale Trennwand 160 in den
Kühlmittelraum 150 eingesetzt, so daß ein durchgehender Kühlmittel- Strömungsweg
über
die Zuleitungen 156, die Nippel 158, die Leitungen 152, die
Öffnungen 154 und den Kühlmittelraum 150 vorhanden ist. Für eine zusätzliche Kühlung
kann ein Kühlmittel, gewöhnlich Wasser, lurch die Brennerscheibe hindurch geleitet
werden.
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Die Brennstoffzerstäuberdüse 138 kann in bekannter Weise ausgeführt
sein und dient dazu, einen flüssigen Brennstoff zu kleinen Tröpfchen zu zerstäuben
und ihn in Axialrichtung der Misch- und Brennkammer auszustoßen.
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Im dargestellten Beispiel wird einer in der Mitte der Düse 138 angeordneten
Mischkammer 164 Druckluft über eine Leitung 162 und ein flüssiger Brennstoff über
eine Leitung 166 zugeführt. Durch die von der Druckluft ausgeübte Scherwirkung wird
der Brennstoff zerrissen, so daß in der Mischkammer 164 ein Gemisch aus Luft und
Brennstofftröpfchen entsteht. Das am vorderen Ende der Mischkammer austretende Gemisch
aus Luft und Brennstofftröpfchen wird durch eine Prallscheibe 168 abgelenkt und
verläßt die Düse in Form eines im wesentlichen konischen Sprühstrahls durch einen
Ringdurchlaß 170 zwischen der Prallscheibe 168 und einem divergierenden Auslaß 172
der Düse. Der Auslaß 172 der Zerstäuberdüse kann in einem beliebigen Winkel divergieren,
zur Erzeugung einer langen Flamme, deren Höchsttemperaturbereiche möglichst weit
von den hitzebeständig ausgekleideten Teilen des Brenners entfernt sind, ist jedoch
ein Divergenzwinkel von 300 besonders geeignet.
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In den freien Schenkel des T-Stücks 118 ist ein zweites T-Stück 174
eingeschraubt. Die einander gegenüber liegenden Enden 176, 178 des T-Stücks 174
sind über (nicht dargestellte) Leitungen und Steuereinrichtungen mit einer Druckluftquelle
und einer Zufuhreinrichtung für Sauerstoff verbunden, so daß dem T-Stück 118 ein
Gemisch von Luft und Sauerstoff oder auch Luft bzw.
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Sauerstoff allein zugeführt werden kann. Das Oxydationsmittel durchströmt
die Durchlässe 124, die Anschluß buchse 116 und den Ringdurchlaß 97 in die Misch-
und Brennkammer.
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Das brennbare Gemisch aus Brennstoff und Oxydationsmittel wird mittels
eines durch die Bohrung 110 in die Brennkammer eingeführten Zündbrenners 112 oder
einer anderen Zündeinrichtung gezündet. Wie in der Ausführungsform nach Fig. 2 und
3 bewirkt das die Brennerscheibe umströmende Oxydationsmittel eine -gewisse Kühlung
derselben. Wird jedoch Öl als Brennstoff und Sauerstoff als Oxydationsmittel verwendet,
so entsteht jedoch eine sehr viel hellere Flamme, welche eine starke Wärmestrahlung
in Richtung auf die Brennerscheibe aufweist.
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Zur Vermeidung einer Schädigung der Brennerscheibe ist daher eine
zusätzliche Kühlung derselben erforderlich.
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Das über die Leitungen 15 zugeführte Kühlmittel kann Luft, Wasser
oder ein anderes Gas bzw. eine andere Flüssigkeit sein. Aus Zweckmäßigkeitsgründen
wird gewöhnlich Wasser als Kühlmittel verwendet.
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In gewissen Fällen kann es erwünscht sein, daß Öl vor seiner Zerstäubung
mittels der Diise 138 vorzuwärmen.
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Falls dies erwünscht ist, kann drne von der Brennerscheibe 134 wegführende
Kühlmittelleitung 156 innerhalb und/ oder außerhalb des Brenners in wärmetauschender
Wirkbeziehurg mit der Brennstoffleitung 166 geführt sein. Zusätzliche Wärme kann
auch mittels einer besonderen Heizquelle zugeführt werden. Durch die Vorwärmung
des Öls wird dessen Viskosität verringert und dadurch seine Fließfähigkeit verbessert.
Dies führt zu einer verbesserten Zerstäubung des Öls und einer besseren Durchmischung
desselben mit dem Oxydationsmittel.
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Wie in der Ausführungsform nach Fig. 2 und 3 kann der Verbrennungsvorgang
über das in der Muffe 104 und der Bohrung 102 befestigte Sichtfenster 106 beobachtet
und mittels des in der gegenüber liegenden Muffe 104 und der Bohrung 102 angeordneten
Ultraviolett-Sensors 108 elektronisch überwacht werden.
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Für besondere Anwendungen kann der zweckmäßigste Brennstoff Erdgas
oder Methan sein. Die Liefermöglichkeiten für Erdgas vermögen jedoch mit dem steigenden
Bedarf nicht Schritt zu halten, so daß die Verwendung von Erdgas aus wirtschaftlichen
Gründen zuweilen unzweckmäßig ist. Für Großverbraucher von Erdgas ist es daher von
Vorteil, jederzeit von Erdgas auf Öl und umgekehrt
umzustellen,
um sich den Möglichkeiten der Erdgaslieferung anzupassen. Diese Möglichkeit bietet
insbesondere die in Fig. 4 und 5 dargestellte Ausführungsform der Erfindung, da
sie sowohl mit gasförmigen als auch mit flüssigen Brennstoff betrieben werden kann.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist auch zu erkennen, daß der Brenner bei entsprechender
Einstellung von dafür vorgesehenen Ventilen mit gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen
allein oder wahlweise auch mit einem Gemisch solcher Brennstoffe betrieben werden
kann. In den beschriebenen Ausführungsformen ist das Hauptteil des Brenners jeweils
als ein Schweißkörper ausgebildet.
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Er kann jedoc2 auch aus Gußeisen oder einem anderen ge--eigneten Werkstoff
geformt sein.
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Die erfindungsgemäßen Brenner können für Erzeugung von Hitze und einer
einen großen Anteil an Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Atmosphäre für
die Verwendung beim hammerschlagfreien Schmieden, nach Erhitzen von Brammen und
Schmelzen von Eisen und nicht Eisenmetallen verwendet werden. Werden die Abgase
etwas gekühlt und durch einEn Kohlenmonoxid- und Wasser- Austauschreaktor geleite;;,
so enthält die Atmosphäre dann einen beträchtlicher Anteil an Wasserstoff und Kohlendioxid
und eine verringerte Wassermenge. Eine weitere Kühlung der Abgase und Abscheidung
des Wassers und des Kohlendioxids führt zu einer Schutzatmosphäre, welche zum
Hartlöten,
Glühen und Aufkohlen geeignet ist. Die erfindungsgemäßen Brenner sind somit ungeachtet
ihres einfachen Aufbaus äußerst vielseitig verwendbar.
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Sämtliche aus der Beschreibung, den Asprüchen und der Zeichnung hervorgehenden
Merkmale und Vorteile der Erfindung, einschließlich konstruktiver Einzelheiten,
räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch
in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.