DE3301083A1

DE3301083A1 - Brenner zur stoechiometrischen verbrennung fluessiger oder gasfoermiger brennstoffe

Info

Publication number: DE3301083A1
Application number: DE19833301083
Authority: DE
Inventors: Roland Dübendorf Ringli
Original assignee: Satronic AG
Current assignee: Satronic AG
Priority date: 1983-01-14
Filing date: 1983-01-14
Publication date: 1984-07-19
Also published as: ATE33301T1; EP0114610B1; DE3470208D1; EP0114610A1

Description

DIPL.-ING. GUIDO ENGELHARDT PATENTANWALT

7990 Friedrichshafen

Satronic AG
CH 81o5 Regensdorf

Brenner zur stöchiometrischen Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner zur stöchiometrischen Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe, der aus einer mit einer Zerstäuberdüse versehenen Brennstoffleitung und einer diese umgebenden Zuführungsleitung für die von einem Ventilator oder dgl. der Zerstäuberdüse zuzuführenden Verbrennungsluft besteht.

Brenner dieser Art sind in zahlreichen unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Um eine Verbrennung unter ströchiometrischen Bedingungen und somit ohne daß sich Ruß bildet,zu ermöglichen, ist es des weiteren bekannt, die Rezirkulation der heißen Verbrennungsgase durch verschiedenartige dem Brenner zugeordnete Einrichtungen und/oder Einbauten zu verbessern. Hierbei wird mittels Ringelementen, die zusammen mit anderen Teilen des Brenners einen Injektor bilden, eine rezirkulierende

Strömung der heißen Gase erzeugt. Obwohl der Bauaufwand mitunter erheblich ist, ist in allen Lastbereichen eine stets einwandfreie Verbrennung nicht gewährleistet. Der Brenner ist nämlich von der jeweiligen Kesselkonstruktion abhängig und die Flamme brennt in den Kessel hinein, so daß eine Verbrennung unter stöchiometrischen Bedingungen oftmals nicht zu bewerkstelligen ist. Außerdem sind die bei diesen Brennern auftretenden Betriebsgeräusche erheblich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Brenner zur stöchiometrischen Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe der vorgenannten Art zu schaffen, der unabhängig von der jeweiligen Kesselgröße und Kesselkonstruktion ist und der dennoch eine stets vollständige Verbrennung des zugeführten Brennstoffes und somit eine hohe Energieausbeute bei geringem Schadstoffanfall gewährleistet. Der dazu erforderliche Bauaufwand soll äußerst gering sein, so daß auch eine wirtschaftliche Fertigung gegeben ist, vor allem aber soll der Brenner nach Inbetriebnahme sofort voll funktionsfähig und in einem großen Bereich,ohne daß die Verbrennung ungünstig beeinflußt wird und Verkokungen auftreten, regelbar sein. Des weiteren sollen die Betriebsgeräusche gering gehalten werden und es soll ohne Schwierigkeiten möglich sein, bestehende Anlagen in entsprechender Weise umzurüsten.

5 Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß an die Luftzuführungsleitung ein die Brennkammer bildendes Flammrohr aus einem Werkstoff mit hoher Wärmespeicherkapazität angeschlossen ist, dessen dem Luftzuführungsrohr zugekehrtes Ende eine mit einer Drossel versehene Eingangs-Öffnung aufweist und an dessen gegenüberliegendem Ende eine in dieses eingesetzte und mit einer Vielzahl von Austritts-

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Öffnungen ausgestattete Verschlußplatte vorgesehen ist und daß die Zerstäuberdüse im Bereich des engsten Querschnittes der Drossel angeordnet ist.

Aus baulichen Gründen ist es sehr zweckmäßig, die Drossel durch eine imLängsschnitt dreieckförmig gestaltete, auf der Innenrandung des Flammrohres angebrachte Verdickung mit gegeneinander geneigten, jeweils einen Kegelstumpf als einen Teil der Eingangsöffnung einschließenden Innenmantelflächen zu bilden, wobei die beiden Innenmantelflächen der Verdickung in dem aneinanderstoßenden Bereich über eine Ausrundung ineinander übergehen sollte. Um je nach Leistung die

Angebracht ist es des weiteren, die Zerstäuberdüse derart in das Flammrohr hineinragend anzuordnen, daß deren Austrittsöffnung in dem durch die Ausrundung bestimmten Übergangsbereich der Innenmantelflächen der Verdickung liegt. In diesem Bereich ist die Strömungsgeschwindigkeit der zugeführten Verbrennungsluft am Größten, so daß die Vermischung mit dem Brennstoff besonders intensiv ist. Um je nach Leistung die Luftgeschwindigkeiten konstant zu halten, kann die Zerstäuberdüse auch in Achsrichtung verstellbar in der Drossel angeordnet werden.

Die Verdickung kann in einfacher Weise in das Flammrohr eingeformt oder in dieses eingesetzt werden.

Der Neigungswinkel der dem Luftzuführungsrohr zugekehrten Innenmantelfläche der Verdickung sollte zur Längsachse des Flammrohres größer bemessen sein als der Neigungswinkel der der Brennkammer zugekehrten Innenmantelfläche, wobei die Neigungswinkel etwa 35 bis 55° bzw. 25 bis 4 5° betragen sollten. Außerdem sollte der von der der Brennkammer zugekehrten Innenmantelfläche

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der Verdickung begrenzte Bereich etwa 1/3"-I /6 der Länge der Brennkammer entsprechen. Auf diese Weise werden günstige Strömungsverhältnisse in der Eingangsöffnung und in der Brennkammer erzielt.

Die Drossel bzw. die diese bildende Verdickung kann ferner mit einer parallel zur Längsachse des Flammrohres verlaufenden Freisparung zur Halterung der Zündelektrode des Brenners versehen sein, es ist aber auch möglich, die Zündelektrode zwischen der Düse und der Drossel anzuordnen.

Die in der Verschlußplatte des Flammrohres eingearbeiteten Austrittsöffnungen sind in einfacher Ausgestaltung als auf konzentrischen Lochkreisen angeordnete Bohrungen mit vorzugsweise kreisförmigem Querschni.tt auszubilden, wobei die Bohrungen eines Lochkreises jeweils den gleichen Innendurchmesser aufweisen sollten. Ist die Verschlußplatte mit auf zwei Lochkreisen angeordneten Bohrungen unterschiedlichen Durchmessers versehen, sollten die auf dem inneren Lochkreis angeordneten Bohrungen in ihrem Innendurchmesser kleiner bemessen sein,als die auf dem äußeren Lochkreis angeordneten Bohrungen.

Um die axiale Länge der Brennkammer auf einfache Weise verändern zu können, sollte nach einer Weiterbildung die Verschlußplatte in Achsrichtung des Flammrohres verstellbar in dieses eingesetzt sein.

Ferner ist es zur Begünstigung der Rezirkulation in der Brennkammer angebracht, die Verschlußplatte auf der nach innen gekehrten Seite kegelig, vorzugsweise spiegelbildlich zu der gegenüberliegenden Innenwandung der Verdickung auszubilden.

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Das Flammrohr, die Verdickung und die Verschlußplatte können in wirtschaftlicher Weise einstückig aus Keramik-Werkstoff, aus feuerfestem Beton oder dgl. hergestellt werden.

Der gemäß der Erfindung ausgebildete Brenner zur stöchiometrischen Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe ist nicht nur einfach in der konstruktiven Ausgestaltung und somit ohne Schwierigkeiten zu fertigen, sondern die vorschlagsgemäße Ausgestaltung ermöglicht vor allem auch eine stets vollkommene Verbrennung, ohne daß sich dabei Ruß bildet und ohne daß eine Verkokung auftritt. Wird nämlich an die Luftzuführungsleitung ein Flammrohr angeschlossen, das aus einem Werkstoff mit 'hoher Wärmespeicherkapazität besteht und dessen Eingangsöffnung eine Drossel, in deren Bereich die Zerstäuberdüse angeordnet ist, aufweist und dessen gegenüberliegendes Ende durch eine mit einer größeren Anzahl von Austrittsöffnungen versehene Verschlußplatte abgedeckt ist, so wird die Verbrennungsluft mit außerordentlich großer Geschwindigkeit unmittelbar der Zerstäuberdüse zugeführt und in der durch das Flammrohr gebildeten Brennkammer geführt und umgelenkt, so daß in dieser eine Rezirkulation stattfindet und durch die dem zerstäubten Brennstoff zugeführten heißen Gase eine vollständige Verbrennung und damit ein vollkommener Ausbrand des Brennstoffes erfolgt. Durch die im Bereich der Zerstäuberdüse vorgesehene Drossel wird hierbei die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft stark erhöht, der aus der Zerstäuberdüse austretende Brennstoff wird von dieser mitgerissen und in dem Innenraum des Flammrohres durch die rezirkulierenden heißen Gase verdampft und gleichmäßig verteilt. Der Innenraum des Flammrohres bildet

somit eine geschlossene Brennkammer, an den Austritts-Öffnungen der Trennwand treten demnach zusammen mit den heißen Abgasen nur noch Flammenspitzen aus. Da die Betriebstemperatur außerordentlich hoch ist, ist auch ein hoher Wirkungsgrad gegeben. Die durch die Verbrennung umgewandelte Wärmeenergie des Brennstoffes wird durch die abströmenden heißen Gase und durch die Abstrahlung von dem erhitzten Flammrohr abgegeben.

Ein in dieser Weise ausgebildeter Brenner ist unabhängig von der jeweiligen Kesselkonstruktion und dessen Feuerraum, auch wirkt die Verschlußplatte als Schalldämpfer, so daß ein Einsatz nahezu überall möglich ist. Außerdem können vorhandene Brenner auf sehr einfache Weise umgerüstet werden, da an deren Luftzuführungsrohr lediglich das entsprechend ausgebildete Flammrohr anzuschließen ist. und da aufgrund der guten Rezirkulation der heißen Gase in der Brennkammer die vollkommene Verbrennung unmittelbar nach Einschalten des Brenners gegeben ist, ist dieser auch sofort betriebsbereit.

Des weiteren ist von erheblicher Bedeutung, daß der erfindungsgemäß ausgebildete Brenner, ohne daß bauliche Veränderungen vorzunehmen sind, in einem großen Bereich regelbar und somit leicht an die jeweiligen Gegebenheiten anpaßbar ist. über die Menge der zugeführten Verbrennungsluft und/oder des Brennstoffes, in dem beispielsweise der Druck der ölförderpumpe verändert wird, kann dies ohne Schwierigkeiten bewerkstelligt werden, ein vielseitiger Einsatz bei einfacher Handhabung und störungsfreier Betriebsweise ist demnach gegeben, zumal eine Änderung des Kaminzuges bzw. des Kesseldruckes auf die Verbrennung fast keinen Einfluß mehr ausüben.

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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht es somit, da durch die Rezirkulation heißer Gase der Brennstoff
mit der Verbrennungsluft gut gemischt und vergast wird, eine totale, rußfreie Verbrennung und demnach auch eine hohe Energieausbeute. Und da im Abgas kein Ruß und keine ölderivate vorhanden sind und der Anteil an Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoffen äußerst gering ist, ist bei dauerhafter Verbrennungsgüte auch eine hohe Umweltfreundlichkeit gegeben.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des gemäß

der Erfindung ausgebildeten Brenners zur stöchiometrischen Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe dargestellt und nachfolgend im einzelnen erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 den mit einem in besonderer Weise ausgebildeten Flammrohr versehenen Brenner
in einem Axialschnitt und

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II - II der
Fig. 1.

Der in Fig. 1 mit 1 bezeichnete Brenner zur Verbrennung von Heizöl besteht aus einer mit einer Zerstäuberdüse 3 versehenen Brennstoffzuleitung 2 und einem diese
konzentrisch umgebenden Luftzuführungsrohr 4, in dessen Ringkanal 5 von einem nicht dargestellten Ventilator

erzeugte Verbrennungsluft der Zerstäuberdüse 3, die in

Achsrichtung verstellbar angeordnet sein kann und der eine Zündelektrode 6 zugeordnet ist, zuströmt.

Um eine Verbrennung unter stöchiometrischen Bedingungen zu erzielen, ist an die Luftzuführungsleitung 4 mittels zweier Flansche 7 und 18, die durch Schrauben 8 miteinander verbunden sind, ein Flammrohr 11 aus einem

Werkstoff mit einer hohen Warmespeicherpapazität befestigt, in das die Zerstäuberdüse 3 hineinragt. Die Eingangsöffnung 13 des eine Brennkammer 12 bildenden Flammrohres 11 ist mit einer Drossel 14 versehen, durch die die Strömungsgeschwindigkeit der zugeführten Verbrennungsluft in einem starken Maße erhöht wird. Das der Drossel 14 gegenüberliegende Ende des Flammrohres 11 weist dagegen eine Verschlußplatte 15 auf, in die eine größere Anzahl von Austrittsöffnungen 16 und 16" eingearbeitet sind.

Die Austrittsöffnungen 16 und 16' liegen hierbei, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, auf konzentrischen Lochkreisen a und a" und sind als Bohrungen mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet. Außerdem sind die innenliegenden Austrittsöffnungen 16' in ihrem Durchmesser kleiner bemessen als die auf dem Lochkreis a angeordneten Austrittsöffnungen 16. Um die Rezirkulation der heißen Gase zu begünstigen, kann die Innenwand der Verschlußplatte 15, wie dies strichpunktiert eingezeichnet ist, mit einer kegeligen Fläche 17 versehen werden.

Die Drossel 14 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine in das Flammrohr 11 eingeformte, im Längsschnitt dreieckförmige Verdickung 21 ausgebildet, deren kegelige Innenmantelflächen 22 und 2 3 entgegengesetzt zueinander geneigt verlaufen und durch eine Ausrundung 24 ineinander übergehen. Außerdem ist in die Verdickung 21 eine parallel zur Längsachse A des Flammrohres 11 verlaufende Freisparung 25 zur Halteurng der Zündelektroden 6 eingearbeitet.

Durch die unter einem Winkel^C- von ca. 4 5 zur Längsachse A des Flammrohres 11 geneigte Innenmantelfläche 22 wird die Strömungsgeschwindigkeit der der Zerstäuberdüse 3, die derart in das Flammrohr 11 hineinragend angeordnet ist,

daß deren Austrittsöffnung im Bereich der Ausrundung 24 liegt, zugeführte Verbrennungsluft in einem erheblichen Maße beschleunigt und unmittelbar auf die Zerstäuberdüse 3 gerichtet. Der aus dieser austretende Verbrennungsstrahl wird hierbei mitgerissen und in der nahzu geschlossenen Brennkammer 12 des Flammrohres 11 durch die zwangläufig gegebene Rezirkulation gleichmäßig verteilt und vergast, so daß in dieser ein vollkommener Ausbrand erfolgt und an den Austrittsöffnungen 16, 16' der Verschlußplatte 15 lediglich noch blaue Flammenspitzen herauszüngeln. Die Rezirkulation der heißen Gase wird hierbei durch die unter einem Winkel ρ von 35 zur Längsachse A des Flammrohres 11 geneigte Innenmantelfläche 23 der Verdickung 21 begünstigt.

Durch die gute Verbrennung ist somit eine hohe Betriebstemperatur und ein guter Wirkungsgrad gegeben, auch werden durch die Verschlußplatte die Betriebsgeräusche gedämpft und der Brenner 1 ist unmittelbar nach Inbe-• triebnahme voll funktionsfähig und nahezu überall einsetzbar.

3. Dezember 1982 \ e-1
A 82o2

Claims

DlPL-ING. GUIDO ENGELHARDT PATENTANWALT

7990 Friedrichshafen

.Satronic AG
CH-81o5 Regensdorf

Patentansprüche :

f 1. /Brenner zur stöchiometrischen Verbrennung flüssiger ^""'^ oder gasförmiger Brennstoffe, bestehend aus einer mit einer Zerstäuberdüse versehenen Brennstoffleitung und einer diese umgebenden Zuführungsleitung für die von einem Ventilator od.dgl. der Zerstäuberdüse zuzuführenden Verbrennungsluft,

dadurch gekennzeichnet,

daß an die Luftzuführungsleitung (4) ein die Brennkammer (12) bildendes Flammrohr (11) aus einem Werkstoff mit hoher Wärmespeicherkapazität angeschlossen ist, dessen dem Luftzuführungsrohr (4) zugekehrtes Ende eine mit einer Drossel (14) versehene Eingangsöffnung (13) aufweist und an dessen gegenüberliegendem Ende eine in dieses eingesetzte und mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen (16, 16') ausgestattete Verschlußplatte (15) vorgesehen ist, und daß die Zerstäuberdüse (3) im Bereich des engsten Querschnittes der Drossel (14) angeordnet ist.
2. Brenner nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Drossel (14) durch eine im Längsschnitt dreicjk~ förmig gestaltete, auf der Innenwandung des Flammrohres (11) angebrachte Verdickung (21) mit gegeneinander geneigten, jeweils einen Kegelstumpf als einen Teil der Eingangsöffnung (13) einschließenden Innenmantelflächen (22,23) gebildet ist.
3. Brenner nach Anspruch 2,

D dadurch gekennzeichnet,

daß die beiden Innenmantelflächen (22,23) der Verdickung (21) in dem aneinanderstoßenden Bereich über eine"Ausrundung (24) ineinander übergehen.
4. Brenner nach Anspruch 2 oder 3,

ί dadurch gekennzeichnet,

daß die Zerstäuberdüse (3) derart in das Flammrohr (11) hineinragend angeordnet ist, daß deren Austrittsöffnung in dem durch die Ausrundung (24) bestimmten Übergangsbereich der Innenmantelflächen (22,23) der Verdickung (21) liegt.
5. Brenner nach Anspruch 4,

dadurch ge kennzeichnet,

daß die Zerstäuberdüse (3) in Achsrichtung verstellbar in der Drossel (14) angeordnet ist.
6. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Verdickung (21) in das Flammrohr (11) eingeformt -* oder in dieses eingesetzt 1st.
7. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Neigungswinkel (jC) der dem Luftzuführungsrohr (4) zugekehrten Innenmantelfläche (22) der Verdickung (21) zur Längsachse (A) des Flammrohres (11) größter bemessen ist als der Neigungswinkel fö) der der Brennkammer (12) zugekehrten Innenmantelfläche (23) .
8. Brenner nach Anspruch 7,

dadurch ge kennzeichnet,

daß die dem Luftzuführungsrohr (4) zugekehrte Innenmantelfläche (22) der Verdickung (21) und einem Winkel oLvon 35 - 55° zur Längsachse (A) des Flammrohres (11) geneigt verläuft.
9· Brenner nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß die der Brennkammer (12) zugekehrten Innenmantelfläche

(23) der Verdickung (21) und einem Winkelfi von 25 - 45 zur Längsachse (A) des Flammrohres (11) geneigt verläuft.
10. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 9,

dadurch gekennzeichnet,

daß der von der der Brennkammer (12) zugekehrten Innenmantelfläche (23) der Verdickung (21) begrenzte Bereich etwa 1/3 bis 1/6 der Länge der Brennkammer (12) entspricht.
11. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 1o,

dadurch gekennzeichnet,

ο daß die Drossel bzw. die diese bildende Verdickung (21) mit einer parallel zur Längsachse (A) des Flammrohres (11) verlaufenden Freisparung (25) zur Halterung der Zündelektrode (6) des Brenners (1) versehen ist.
12. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11,

dadurch gekennzeichnet,

daß die in der Verschlußplatte (15) des Flammrohres (11) eingearbeiteten Austrittsöffnungen (16, 16') als auf konzentrischen Lochkreisen (a, a¹) angeordnete Bohrungen mit ο vorzugsweise kreisförmigem Querschnitt ausgebildet sind.

13. Brenner nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,

daß die auf einem Lochkreis (a, a¹) angeordneten Bohrungen (16, 16') jeweils den gleichen Innendurchmesser aufweisen.

14. Brenner nach Anspruch 12 und 13,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Verschlußplatte (15) mit auf zwei Lochkreisen (a, a¹) angeordneten Bohrungen (16,16') unterschiedlichen Durchmessern versehen ist, wobei die auf dem inneren Lochkreis (a¹) angeordneten Bohrungen (16¹) in ihrem Innendurchmesser kleiner bemessen sind als die auf dem äußeren Lochkreis (a) angeordneten Bohrungen (16).

15. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Verschlußplatte (15) in Achsrichtung (A) des Flammrohres (11) verstellbar in dieses eingesetzt ist...

16. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Verschlußplatte (15) auf der der Brennkammer (11) zugekehrten Innenseite kegelig, vorzugsweise spiegelbildlieh zu der gegenüberliegenden Innenwandung (23) der Verdickung (21), ausgebildet ist.

17. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet,

5 daß das Flammrohr (11), die Verdickung (21) und die Verschlußplatte (15) einstückig aus Keramik-Werkstoff, aus feuerfestem Beton od.dgl. hergestellt sind.

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12. Januar 19*83