DE3104406C2

DE3104406C2 - Rückführbrenner

Info

Publication number: DE3104406C2
Application number: DE19813104406
Authority: DE
Inventors: Jürgen Prof. Dr.-Ing. Gemmenich-Plombieres Helling; Ulrich Dipl.-Ing. 5160 Düren Rohs; Dieter Dipl.-Ing. 5100 Aachen Voigt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-02-07
Filing date: 1981-02-07
Publication date: 1984-11-15
Also published as: DE3104406A1

Abstract

Rückführbrenner für fließfähige Brennstoffe, wobei durch die Injektorwirkung der Verbrennungsluft heißes Verbrennungsgas als Rückführgas in den Vorraum des Mischrohres zurückgeführt wird, mit einer mit Abstand vor dem Mischrohr zu diesem fluchtend angeordneten Zuluftöffnung und einer zum Mischrohr exzentrischen Brennstoffdüse, wobei im wesentlichen senkrecht zur Achse des in einer Zwischenwand gehaltenen Mischrohres und mit Abstand hinter diesem eine den Abschluß der Brennkammer bildende Prallwand mit mindestens einer in einen Feuerraum eines Kessels einmündenden Brennkammeraustrittsöffnung angeordnet ist und in der Zwischenwand neben dem Mischrohr mindestens eine Rückführöffnung für das Verbrennungsgas vorgesehen ist, gegen die die Brennstoffdüse gerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rückführbrenner für fließfähige Brennstoffe mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Ein Rückführbrenner dieser Art ist durch die DE-OS 25 07 129 bekannt Hierbei wird heißes Verbrennungsgas aus der Brennkamsner in den Vorraum vor dem Mischrohr zurückgesaugt Damit der zugeführte Brennstoff nicht zuerst unmittelbar mit der Verbrennungsluft in Berührung kommt, sondern von dem rückgeführten heißen Kohlendioxid und Wasserdampf des Verbrennungsgases aufbereitet d. h. verdampft wird, ehe eine innige Vermischung mit der Verbrennungsluft im Mischrohr erfolgt, ist die Brennstoffdüse exzentrisch zur Luftdüse angeordnet und unter einem bestimmten Neigungswinkel zur Achse des Mischrohres auf den Vorraum zwischen Luftdüse und Mischrohr gerichtet

Durch die US-PS 39 94 665 ist ein weiterer Rückführbrenner mit einer in ein sich konisch erweiterndes Mischrohr ragenden Luftdüse bekannt. Von der an das Mischrohr fluchtend anschließenden Brennkammer zweigt rechtwinklig ein Abzweigkanal ab, in dessen dem Mischrohr abgewandtes Ende eine hierzu senkrecht stehende Brennstoffdüse mündet. Fluchtend zu dieser Brennstoffdüse führt ein zum Abzweigkanal senkrechter Ansaugkanal zu einer Umlenkwand des Brennergehäuses und von dort senkrecht abbiegend in eine Vorkammer an der Luftdüse. In die Brennkammer mündet ferner eui Rohr für eine ständige Zündflamme, die für den Kaltstart nötig ist.

Beim Einblasen von Verbrennungsluft in das Mischrohr saugt der um die Luftdüse erzeugte Unterdruck das Rückführgas aus dem Ansaugkanal in das Mischrohr. Dies kann jedoch nur bei sehr hohem Einblasdruck der Verbrennungsluft geschehen, insbesondere bei dem relativ langen Ansaugweg zwischen der Brennstoffdüse und der Luftdüse. In der Regel werden hierfür Drücke von 30 bis 50 mbar benötigt, die nur mit einem relativ teuren, sehr lauten Gebläse (Geräuschemission über 100 dBA) erzielbar sind. Derartige Gebläse sind im Heizungsbau unzulässig und beschränken die Einsatzfähigkeit des bekannten Brenners erheblich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen geräuscharmen, wirtschaftlich arbeitenden Rückführbrenner der eingangs genannten Art so auszubilden, daß bei gleichem Druckgefälle der Zuluft eine größere zeitliche Menge an Rückführgas geliefert wird, so daß ein besseres Anspringverhalten, eine ausgeglichenere Brennstoffaufbereitung, und eine erhöhte Sicherheit gegen Schwingungen erzielt werden und der Brenner mit einem relativ schwachen Gebläse mit einer Geräuschemission von nur ca. 70 dBA beschrieben werden kann.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalendes Anspruches 1.

Bei der erfindungsgemäßen Brennkammer wird allein die bei der Verbrennung des Brenngases eintretende Volumenvergrößerung und die hierdurch entstehende Vergrößerung der Strömungsgeschwindigkeit in Ver-

bindung mit der Prallwand dazu ausgenutzt, das erforderliche Rückführgas zur Brennstoffdüse zu leiten, damit der Brennstoff ausschließlich in das Rückführgas eingespritzt werden kann, und zwar so, da8 keine zusätzliche Energie vom Gebläse benötigt wird, um das Rückführgas umzuleiten. Es ergibt sich somit ein Brenner, der mit blau brennender Flamme d. h. mit optimaler Brennstoffausnutzung arbeitet

Die Erfindung sieht im übrigen gegenüber dem Stand der Technik eine dreistufige Verbrennung vor. In der Aufbereitungskammer erfolgt im Rückführgas die Verdampfung des Brennstoffes bei gleichzeitig einsetzenden Vorreaktionen der Kohlenwasserstoffoxidation.

Die zweite Stufe bildet die erste Phase der Hochtemperaturverbrennung in der Brennkammer, deren Volumen zweckmäßig so klein ist, daß Luft und Brennstoff nur unvollständig reagieren.

Die dritte Verbrennungsstufe, nämlich der vollständige Ausbrand erfolgt erst im Feuerraum des Heizkessels, wo das Brenngas rußfrei mit blauer, transparenter Flamme verbrennt

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Nachstehend ist die Erfindung beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert und zwar zeigt

F i g. 1 einen schematischen Längsschnitt eines Rückführbrenners nach der Erfindung,

F i g. 2 einen teilweisen Längsschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform und

F i g. 3 eine Einzelheit.

Der in F i g. 1 im schematischen Längsschnitt dargestellte Rückführbrenner besteht aus einem im Querschnitt kreisrunden oder ovalen rohrförmigen Gehäuse 1, dessen eines Ende in einen ringförmigen Schlitz aus zwei axial bewegbaren, konzentrischen Wänden 2,3 der einen Seite des Feuerraumes 4 eines Heizkessels oder dgl. ragt. Die innere Wand 3 umschließt eine den Abschluß einer Brennkammer 5 bildende Prallwand 6. Im dargestellten Fall bildet die Prallwand 6 einen Teil der Feuerraumwand. Sie kann auch ein selbständiges Teil des Brenners und statt teleskopisch, auch fest mit diesem verbunden sein. Schließlich kann die Prallwand auch, wie F i g. 2 zeigt konkav ausgebildet sein.

Der vordere Teil des Gehäuses 1 weist eine Zwischenwand 7 auf, in der einen als Zuluftöffnung dienende LuFtdüse 8, eine Brennstoffdüse 9 und eine Zündelektrode 10 gehalten sind. Mit axialem Abstand hinter der Luftdüse 8 ist hierzu fluchtend ein Mischrohr 11 angeordnet, dessen auslaßseitiges Ende in einer weiteren Zwischenwand 12 gehalten ist, die mit dem verbleibenden Teil des Gehäuses 1 und der Prallwand 6 die Brennkammer 5 begrenzt. Infolge der teleskopischen Verbindung des Brenners und des Feuerraumes 4 ist die Größe der Brennkammer 5 verstellbar.

Exzentrisch und mit radialem Abstand zum Mischrohr 11 ist in der Zwischenwand 12 mindestens eine Rückführöffnung 13 angeordnet Ebenfalls mit radialem Abstand zum Mischrohr 11 ist in der Prallwand 6 mindestens eine Brennkammeraustrittsöffnung 14 angeordnet.

Die Brennstoffdüse 9 ist mit axialem und radialem Abstand von einer Schutzhülle 15 umgeben. Diese kann, wie F i g. 3 zeigt, für sich an eine Zuluftleitung 18 angeschlossen sein. Die Achse der Brennstoffdüse 9 ist im wesentlichen axial im Gehäuse 1 angeordnet. Der neben dem Mischrohr 11 befindliche Raum zwischen der Brennstoffdüse 9 und der Zwischenwand 12 bzw. der Rückführöffnung 13 bildet eine Aufbereitungskammer 16 für den zugeführten Brennstoff. Der Raum zwischen der Luftdüse 8 und dem Mischrohr 11 oildet den üblichen Vorraum 17.

Der Auslaßdurchmesser der Luftdüse ist mit d, der lichte Durchmesser des Mischrohres 11 mit D und die Länge des Mischrohres mit L bezeichnet. Die gedachte kegelstumpfförmige Mantelfläche zwischen der Austrittskante der Luftdüse 8 und der Eintrittskante des Mischrohres 11 ist mit k bezeichnet Die Querschnittsflächen des Mischrohres 11 und der Rückführöffnung 13 sind mit Fund /"bezeichnet

Es hat sich gezeigt, daß sich optimale Werte ergeben, wenn das Verhältnis von Länge L zum Durchmesser D des Mischrohres mindestens gleich 1 ist (L :D> 1).

Ferner sollte das Durchmesserverhältnis von Luftdüse und Mischrohr 11 mindestens gleich 1,5 sein (D:d=lJ5. Das Verhältnis der Querschnitte von Mischrohr 11 und Rückführöffnung 13 sollte mindestens gleich 1 sein (F: f> 1).

Schließlich sollte die Mantelfläche k im Vorraum 17 mindestens gleich dem l,5fachen, vorzugsweise gleich dem Doppelten des Querschnittes des Mischrohres 11 sein. (l,5F=k=2F). Bei diesen Verhältnissen ergeben sich besonders gute Strömungswerte, die eine entsprechende gute Rückführung bewirken.

Im Gegensatz zu bekannten Brennern, bei denen eine vollständige Verbrennung im Mischrohr bzw. in der Brennkammer erfolgt, ist die Brennkammer 5 des erfindungsgemäßen Brenners vorteilhaft so klein ausgelegt daß im Brenner selbst nur eine unvollständige Verbrennung erfolgen kann und der endgültige Ausbrand des Gasgemisches erst im Feuerraum erfolgt. Hierdurch wird einmal die thermische Belastung der Bauteile des Brenners herabgesetzt und zum anderen ein verbesserter Wärmeübergang im Feuerraum erzielt.

Im Betrieb strömt das Brennstoff-Gas-Gemisch in den Vorraum 17. Von dort gelangt es zusammen mit frischer Zuluft bzw. Verbrennungsluft in das Mischrohr 11 und beginnt dort schon teilweise zu verbrennen. Infolge der Verbrennung erfolgt im Mischrohr 11 und in der Brennkammer 5, insbesondere bei Einhaltung der oben erwähnten Abmessungsverhältnisse, eine erhebliche Volumenvergrößerung des Verbrennungsgases und damit eine erhebliche Erhöhung der Gasgeschwindigkeit Diese beträgt, wenn das Mischrohr 11 zylindrisch ausgebildet ist, etwa das 6- 7fache der Eingangsgeschwindigkeit am Mischrohr. Diese Geschwindigkeitserhöhung bewirkt an sich keine Änderung der Ansaugung von Rückführgas aus dem Vorraum 17. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit am Ausgang des Mischrohres 11 ermöglicht die Verwendung einer konstruktiv einfachen und thermisch hoch belastbaren Prallwand 6.
Das Verbrennungsgas trifft dann auf die als Leitwand wirkende Prallwand 6, die es teilweise zur Rückführöffnung 13 in die Aufbereitungskarnmer 16 und teilweise durch die Brennkammeraustrittsöffnung 14 in den Feuerraum leitet.
Das in die Aufbereitungskammer 16 strömende Rückführgas strömt gegen die Brennstoffdüse 9. Diese wird durch die Schutzhülle 15 und ggf. durch die Zuluftleitung 18 wirksam gegen die hohe thermische Belastung durcii das heiße Rückführgas geschützt und sogar gekühlt. Der in das heiße Rückführgas im Gegenstrom eingespritzte Brennstoff wird dort vollständig aufbereitet und gelangt in den Vorraum 17.

Die verlustarme Rückführung des Verbrennungsgases zur Brennstoffdüse und die dort erfolgende gute

Aufbereitung gestattet es, statt einer Zündflamme lediglich eine in der Nähe der Brennstoffdüse befindliche Zündkerze 10 vorzusehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Rückführbrenner für fließfähige Brennstoffe, wobei durch die Injektorwirkung der Verbrennungsluft Verbrennungsgas als Rückführgas durch eine neben dem Mischrohr angeordnete in den Bereich der Brennstoffdüse führende Rückführoffnung in den Vorraum des Mischrohres. zurückgeführt wird, mit einer mit Abstand vor dem Mischrohr zu diesem fluchtend angeordneten Luftdüse und einer zum Mischrohr exzentrischen Brennstoffdüse, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen senkrecht zur Achse des in einer die Vorderwand der Brennkammer (5) bildenden Zwischenwand (12) gehaltenen Mischrohres (11) und mit Abstand hinter diesem eine den Abschluß einer Brennkammer (5) bildende Prallwand (6) angeordnet ist, die zugleich eine Leitwand zur Rückführung des Verbrennungsgases bildet und mindestens eine in einen dahinter befindlichen Feuerraum (4) eines Kessels oder dgl. einmündende Brennkammeraustrittsöffnung (14) aufweist

2. Rückführbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdüse (9) gegen die Strömungsrichtung des Rückf ührgases gerichtet ist

3. Rückführbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallwand konkav ausgebildet ist

4. Rückführbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die Brennkammer (5) teleskopisch verlängerbar ausgebildet ist

5. Rückführbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Durchmesser (D: d) am Eintritt zum Mischrohr (11) und am Austritt der Luftdüse (8) größer oder gleich 1,5 ist (D :d> 1,5).

6. Rückführbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge (L) zum Durchmesser (D) des Mischrohres (11) größer oder gleich 1 ist (L:D> 1).

7. Rückführbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Querschnitte (f:F) der Rückführöffnung (13) zum Mischrohr (11) größer oder gleich 1 ist (f:F>\).

8. Rückführbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelstumpfmantelfläche (k) zwischen den Rändern am Ausgang der Luftdüse (8) und dem Eintritt in das Mischrohr (11) größer oder gleich dem I₁ 5fachen des Mischrohrquerschnittes (F), vorzugsweise gleich dem Doppelten des Mischrohrquerschnittes (F) ist. (k > 1,5 · F, vorzugsweise k = 2F).

9. Rückführbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (5) kleiner dimensioniert ist, als es zur vollständigen Verbrennungsreaktion erforderlich wäre.

10. Rückführbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Brennkammer (5) kreisförmig oder oval ist.

11. Rückführbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdüse (9) mit radialem und axialem Abstand von einer Schutzhülle (15) umgeben ist.

12. Rückführbrenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen der Schutzhülle (15) und der Brennstoffdüse (9) an

eine Zuluftleitung (18) angeschlossen ist

13. Rückführbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der zwischen der Brennstoffdüse (9) und der Rückführöffnung (13) befindlichen Aufbereitungskammer (16) eine Zündelektrode (10) angeordnet ist