DE3316323A1 - Brenner, insbesondere gasbrenner fuer industrielle feuerungsanlagen, sowie brennerkopf hierfuer - Google Patents
Brenner, insbesondere gasbrenner fuer industrielle feuerungsanlagen, sowie brennerkopf hierfuerInfo
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Description
Grünzweig + Hartmann und Glasfaser AG, 6700 Ludwigshafen
Brenner, insbesondere Gasbrenner für industrielle Feuerungsanlagen, sowie Brennerkopf hierfür
Die Erfindung betrifft einen Brenner, insbesondere einen ,
Gasbrenner für industrielle Feuerungsanlagen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie einen Brennerkopf
hierfür.
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Insbesondere bei industriellen Brennern besteht eine häufige Anforderung darin, daß in einen gegebenen Raum eine
hohe Wärmemenge pro Zeiteinheit eingebracht werden muß. Dies setzt die Verbrennung einer entsprechend großen
Brennstoffmenge mit der im stöchiometrischen Verhältnis stehenden Luftmenge voraus. Diese in einer Brennerflamme
ablaufende und die gewünschte Wärmemenge erzeugende Verbrennung führt bei entsprechenden Strömungsgeschwindigkeiten
des Brennstoffs und der Verbrennungsluft bei einem gegebenen Brenner zu einer bestimmten Flammenlänge, wobei
über die Flammenlänge hinweg in der Regel unterschiedliche Verbrennungsverhältnisse vorliegen und der die Wärme erzeugende
Verbrennungsvorgang erst in der Fla'mmenspitze sein Ende findet.
Bei beengten Raumverhältnissen kann die Schwierigkeit auftreten, daß die bei einem gegebenen Brenner der benötigten
Wärmemenge entsprechende Brennstoff- und Luftmenge eine zu lange Flamme ergibt, deren Spitze hoher Temperatur zu
Stellen gelangt, die einer solchen Temperaturbelastung nicht ausgesetzt werden sollen. Ein Beispiel hierfür etwa ist die
Befeuerung einer Glasschmelzwanne, die in der Regel Rechteck-
form besitzt und häufig an ihren Längsseiten mit einer
Vielzahl von oberhalb des Spiegels, der Schmelze ausmündenden Brennern besetzt ist, deren Flammen aufeinander zu gerichtet sind. Wird bei einer solchen Konfiguration eine zu große Flammenlänge erreicht, so treffen die beidseitigen Flammen, selbst wenn die Brenner an jeder Längsseite der Wanne gegeneinander versetzt angeordnet sind, in einem Mittelbereich der Wanne aufeinander und werden durch die
sich einstellende walzenförmige Luftströmung im Mittelbe-
Vielzahl von oberhalb des Spiegels, der Schmelze ausmündenden Brennern besetzt ist, deren Flammen aufeinander zu gerichtet sind. Wird bei einer solchen Konfiguration eine zu große Flammenlänge erreicht, so treffen die beidseitigen Flammen, selbst wenn die Brenner an jeder Längsseite der Wanne gegeneinander versetzt angeordnet sind, in einem Mittelbereich der Wanne aufeinander und werden durch die
sich einstellende walzenförmige Luftströmung im Mittelbe-
IQ reich der Wanne nach oben abgelenkt, so daß das Gewölbe .
der Wanne einer starken Hitzebelastung ausgesetzt ist und zu schnell verschleißt. Eine Verminderung der Flammenlänge derart, daß die Flammenspitzen nicht mehr im Bereich der Mittellinie der Wanne nach oben abgelenkt werden, setzt
der Wanne einer starken Hitzebelastung ausgesetzt ist und zu schnell verschleißt. Eine Verminderung der Flammenlänge derart, daß die Flammenspitzen nicht mehr im Bereich der Mittellinie der Wanne nach oben abgelenkt werden, setzt
bei gleicher, als optimal ermittelter Anordnung der Brenner eine Verminderung der Brennstoff- und Luftzufuhr voraus
, wodurch die in den Wannenbereich eingebrachte Wärmemenge pro Zeiteinheit unter den gewünschten Wert absinken
würde. Selbstverständlich sind dabei ohnehin Brenner im
on Einsatz, die eine möglichst intensive Flamme kurzer Länge
ergeben, so daß eine Flammenverkürzung bei gleicher Brennerleistung ausscheidet. Da andererseits die Gesamt;-Bren-.nerleistung
durch die Energieaufnahme des Schmelzgutes vorgegeben ist, scheidet auch eine wesentliche Herabsetzung
der Brennstoffzufuhr zur Verminderung der Flammenlänge aus,
so daß, wenn nicht die gesamte Geometrie der Wanne etwa
durch Verbreiterung auf Kosten der Länge verändert werden soll, der zu hohen Belastung des Gewölbes des Feuerraumes nur durch entsprechend häufigere Reparaturen Rechnung ge-
durch Verbreiterung auf Kosten der Länge verändert werden soll, der zu hohen Belastung des Gewölbes des Feuerraumes nur durch entsprechend häufigere Reparaturen Rechnung ge-
gO tragen werden kann, die infolge der erforderlichen Stilllegung
der Wanne extrem hohe Kosten verursachen.
Es liegt auf der Hand, daß auch bei anderen Einsatzfällen
von Brennern'insbesondere im industriellen Bereich eine
g,- sich bei einer gegebenen Brennerleistung einstellende
g,- sich bei einer gegebenen Brennerleistung einstellende
Flammenlänge in ähnlicher Weise nachteilig in Erscheinung tritt, jedoch bei vorgegebener Brennerleistung nicht vermieden
werden kann.
Soweit die Verbrennungsluft etwa durch Wärmetausch mit dem Abgas bei derartigen Brennern nur bis etwa 7000C vorgewärmt
wird, kann die Zufuhr der Verbrennungsluft konzentrisch zum Brennerkopf und damit symmetrisch zum Brennstoff
erfolgen. Hierdurch ergibt sich eine bestmögliche Vermischung von Verbrennungsluft und Brennstoff. Wenn jedoch
eine stärkere Vorwärmung der Verbrennungsluft erfolgen kann, was grundsätzlich anzustreben ist, so daß also Verbrennungsluft
mit einer Temperatur von mehr als 700°C, ggf.
^q auch mehr als 10000C zur Verfügung steht, so ist infolge
der Beschränkung der Temperaturbelastung des Materials des Brennerkopfes, üblicherweise Stahl, eine Zuführung der Verbrennungsluft
unmittelbar am Brennerkopf nicht mehr möglich. Es wird dann die Verbrennungsluft in einem gemauerten Kanal
oberhalb des Brennerkopfes der Flammenwurzel zugeführt, wobei in der Regel die Achse des Brennerkopfes leicht, um
etwa 11° nach oben geneigt ist, während die Achse des Zufuhrkanales
für Verbrennungsluft im spitzen Winkel von beispielsweise 22° nach unten geneigt ist, um so eine gegenseitige
Durchdringung von Brennstoff und Verbrennungsluft zu begünstigen. Durch die ungünstigere unsymmetrische Zuführung
der Verbrennungsluft bei derartigen sogenannten Unterbordbrennern benötigen Brennstoff und Verbrennungsluft
jedoch eine relativ große gemeinsame Wegstrecke zur Erzielung einer vollständigen Verbrennung und ergibt sich
damit eine entsprechend lange Flamme, die häufig nicht erwünscht ist. Um wenigstens in unmittelbarer Nachbarschaft
des Brennerkopfes bereits eine Vorverbrennung zu erzielen, bevor die Masse der Verbrennungsluft in den Brennstoffstrahl
eintritt, und um auf diese Weise eine gewisse Verkürzung der Flamme zu erzielen, ist es bekannt, am Umfang
des Brennerkopfes nicht vorgewärmte Luft, sogenannte Falschluft, absicntlich zuzufordern. Hierdurch wird die
Flammenlänge jedoch nur unwesentlich verkürzt und ist für viele Anwendungsfälle immer noch erheblich zu groß, während
die angesaugte kalte Primärluft den Brennerwirkungsgrad beeinträchtigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einem Brenner der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben
nen Gattung, wie er beispielsweise aus der FR-OS 24 58 749 bekannt ist, einen Brenner zu schaffen, der bei gegebener
Brennerleistung und gegebener Art der Luftzuführung eine extrem kurze Flamme mit intensiver Verbrennung ergifo-t.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 1.
Dadurch wird erreicht, daß der Brennstoff aus einem durch die Stirnwand des Brennerkopfes abgeschlossenen, der Brennstoffvorlage
dienenden Innenraum des Brennerkopfes mit hoher Geschwindigkeit durch die Austrittsöffnungen für den Brenn-
. c stoff in diskreten, symmetrischen Strahlen hindurchströmt,
wobei diese Brennstoffstrahlen einander in der Brennerachse mit hoher kinetischer Energie in einem Punkt treffen. Da
die Lage und Ausrichtung der Austrittsöffnungen für den Brennstoff bezüglich der Brennerachse völlig symmetrisch
ist, erfolgt am Auftreffpunkt der Strahlen in der Brennerachse
eine feine Vereinzelung der Brennstoffteilchen unter Ausbildung eines vom Brennermund weg geöffneten Brennstoffkegels
mit homogener Ausfüllung durch Brennstoffteilchen. Die herangeführte vorgewärmte Verbrennungsluft wird durch
2g den von dem aus den Austrittsöffnungen austretenden Brennstoffstrahlen
erzeugten lokalen starken Unterdruck im Anschluß an die Stirnwand des Brennerkopfes erfaßt und in
Richtung auf die Brennerachse hin abgelenkt, so daß die Verbrennungsluft mit einer in Richtung auf die Brennerachse
gO hin gerichteten Komponente in den durch die Brennstoffstrahlen
hinter den Auftreffpunkt gebildeten Kegel eintritt und dort äußerst intensiv mit den feinen Brennstoffteilchen
vermischt wird, die in Richtung von der Brennerachse weg streben. Insbesondere bei konzentrischer Zuführung der Verbrennungsluft
ergibt sich so eine allseitige Eindringung der Verbrennungsluft in den Brennstoffkegel und eine praktisch
absolut homogene Durchmischung. Auf diese Weise läßt sich überraschend eine'so intensive Verbrennung erzeugen,
daß mit dem bloßen Auge eine Flamme überhaupt nicht mehr wahrgenommen wird, da die Flamme infolge der hohen Energiedichte
nur noch Strahlen im Ultraviolett-Bereich erzeugt. Diese außerordentlich hohe Verbrennungsintensität ergibt
eine entsprechende Verkürzung der Verbrennungslänge und damit der Flammenlänge, so daß die erforderliche Wärmeleistung
in einer entsprechend kürzeren Flamme erzielt werden kann.
-^q Radial nach innen weisende Austrittsöffnungen an Brennern
sind bei Wirbelstrombrennern zwar an sich bekannt, wie dies beispielsweise aus der internationalen Patentanmeldung
80/02452 ersichtlich ist. Abgesehen davon, daß hier nicht die Brennstoffstrahlen, sondern die Verbrennungsluft-
^g strahlen durch entsprechend ausgerichtete Austrittsöffnungen
geführt werden, weisen die Mittelachsen der Austrittsöffnungen jedoch nicht exakt auf einen gemeinsamen Punkt
der Brennerachse, sondern sind vielmehr windschief zur Brennerachse angeordnet, um eine Wirbelströmung um die
Brennerachse herum zu erzeugen. Das im Rahmen der Erfindung zur Ausbildung eines Kegels mit homogener Anfüllung fein
verteilter Brennstoffteilchen genutzte Phänomen einer vollständig symmetrischen Zusammenführung gleicher Brennstoffstrahlen
auf einen Punkt der Brennerachse tritt hierbei nicht auf, da die Wirbelstrahlen zwar einen gebogenen Verlauf
besitzen, jedoch als diskrete Strahlen erhalten bleiben und erst allmählich auffächern, so daß eine Verbrennung
lediglich in der konventionellen Weise ermöglicht wird.
In der Filtertechnik ist es an sich bekannt, zwei Strahlen von Waschflüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit gegeneinander
zu führen und auf diese Weise äußerst fein zu zerstäuben, um mit den zerstäubten Flüssigkeitsteilchen Feststoffpartikel
in der Gasströmung zu binden und auszuscheiden. Als Beispiele für solche Anordnungen sei auf die FR-OSen
22 78 379 oder 23 59 626 oder die EP-OS 62 586 hingewiesen. Hierbei wird offensichtlich ein ähnlicher Wirkungsmechanismus genutzt, wie er im Falle der Erfindung zur
feinen Verteilung des Brennstoffs im Raum genutzt wird, wenn auch hier regelmäßig mittels nur zweier Flüssigkeitsstrahlen ein flächiger Flüssigkeitsvorhang erzeugt wird.
Eine solche flächige Ausbildung des Zerstäubungsfeldes
ist bei einem Brenner mit massiver Verbrennungsluftzuführung nicht anwendbar, da hier eine Flammenzunge einer
etwa der Zungenhöhe entsprechenden Zungenbreite erzeugt werden soll, in deren Inneren eine hohe Wärmemenge bei hoher
Temperatur freigesetzt werden soll. Der gewünschte
ig heftige Ablauf des Verbrennungsvorganges setzt somit eine
kompakte Flamme voraus und schließt einen dünnen Vorhang aus brennenden Brennstoffteilchen aus, wobei überdies in
den Seitenbereichen eines derartigen flächigen Vorhanges eine ausreichend homogene Durchmischung der Brennstoff-
"Lg teilchen mit Verbrennungsluft sicherlich nicht erzielt
werden könnte. Daher arbeitet ein erfindungsgemäßer Brenner mit wenigstens drei Brennstoffstrahlen, bevorzugt mit vier
Brennstoffstrahlen, die völlig symmetrisch angeordnet sind
und überraschend keinerlei Unterschiede in der Partikelverteilung des hierdurch gebildeten räumlichen Sprühkegels
ergeben, so daß zumal bei konzentrischer Zuführung der Verbrennungsluft sich um die Brennerachse herum überal-1 völlig
gleiche Vermischungs- und Verbrennungsverhältnisse ergeben.
Abgesehen von diesem grundsätzlichen Unterschied stand aufgrund
der Erkenntnisse im Zusammenhang mit der Zerstäubung von Waschflüssigkeit etwa in einem Rauchgaskanal aber auch
nicht zu erwarten, daß mit einer entsprechenden Modifizierung des dortigen physikalischen Wirkungsprinzips bei einer
Anwendung auf Brennstoffstrahlen in einem Brenner die weiter oben geschilderte Intensivierung der Verbrennung und
wesentliche Verkürzung der Flamme erreicht werden könnte. Diese erhebliche Intensivierung der Verbrennung hat eine
wesentliche Ursache in dem zwischen der Stirnwand des Brennerkopfes und dem Auftreffpunkt der Brennstoffstrahlen
vor dem Brennerkopf erzielten starken Unterdruck, der die Verbrennungsluft in den gebildeten Brennstoff-Sprühkegel
hineinzieht. Dieses Phänomen tritt einerseits bei der Er-
zeugung einer im wesentlichen zweidimenszonalen Sprühmatte
nicht in einem entsprechenden Umfang auf, und wäre anderer seits bei der Erzeugung tines solchen Waschflüssigkeitsvorhanges
in einem Rauchgasstrom auch nutzlos.
■ Die Unteransprüche 2 bis 10 haben vorteilhafte Weiterbildungen
des erfindungsgemäßen Brenners zum Inhalt.
Im Anspruch 11 ist ein Brennerkopf für einen erfindungsge-
-^Q mäßen Brenner beansprucht. Ein solcher Brennerkopf ist
ein selbständig handelbares Teil, welches zur Erzielung der erfindungsgemäßen Wirkungen eines Brenners auch in
bestehende Brenner eingebaut werden kann. In der Tat erforderte beispielsweise eine durchgeführte Umstellung der
Feuerung einer Glasschmelzwanne von konventionellen Brennern auf erfindungsgemäße Brenner lediglich die Befestigung
eines derartigen Brennerkopfes am vorhandenen Gaszuführrohr konzentrisch innerhalb eines vorhandenen Zuführkanales
für Verbrennungsluft, wobei lediglich noch 2Q beim Standardbrenner vorgesehene Einstellhandhaben für
die Flammeneinstellung entfallen konnten» da der Brenner
bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Brennerkopfes keinerlei Einstellmaßnahmen bedurfte.
on Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform
anhand der Zeichnung.
Es zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Glasschmelzwahne
mit Befeuerung durch erfindungsgemäße Brenner zur Veranschaulichung eines besonders geeigneten
Anwendungsfallies für einen erfindungsgegpmäßen
Brenner,
Fig. 2 die Einzelheit aus Kreis II in Fig. 1 in stark vergrößerter Darstellung, wobei der erfindungs-
gemäße Brenner in einem Längsschnitt dargestellt
ist,
Fig. 3 den Brennerkopf des Brenners gemäß Fig^ 2 in
natürlicher Größe mit einer Veranschaulichung
des sich ergebenden Sprühkegels im Wasserversuch, also ohne Beeinflussung durch die beim Brenner
gemäß Fig. 2 konzentrisch zugeführte Verbrennungs luft, und
Fig. 4 einen Teilschnitt durch eine Schmelzwanne mit
einem sogenannten Unterbordbrenner, bei dem die Verbrennungsluft aus einem gemauerten Kanal von
oberhalb der Flamme zugeführt wird.
Zur Verdeutlichung eines im Betrieb bereits erprobten Anwendungsfalles
für einen erfindungsgemäßen Brenner ist in Figur 1 in einem Querschnitt eine Glasschmelzwanne 1 veranschaulicht.
Die Glasschmelzwanne 1 möge im Beispielsfalle eine Breite b von 4,60 m und eine Länge von 15m senkrecht
zur Zeichenebene aufweisen und besteht aus einer Unterwanne 2 zur Aufnahme der Glasschmelze, deren Spiegel strichpunktiert
bei 3 veranschaulicht ist, und einem Feuerraum 4, der zur oberseitigen Beheizung der Glasschmelze dient und
jQ oben durch ein Gewölbe 5 aus feuerfestem Material abgeschlossen
ist. Zu beiden Längsseiten der Glasschmelzwanne 1 mögen im Beispielsfalle je 35 Brenner 6 der weiter unten
noch näher erläuterten Bauart angeordnet sein, die im Beispielsfalle konzentrisch zu ihrer Brennerachse 6a einen
1{- Zuführkanal 7 für Brennstoff, im Beispielsfalle Gas, in
Form eines Rohres 8 und konzentrisch um diesen herum einen Zufuhrkanal 9 für vorgewärmte Verbrennungsluft sowie im
Bereich der Brennermündung einen Brennerkopf 10 der weiter unten noch näher erläuterten Bauart aufweisen. Die Verbren-
2Q nungsluft wird im Wärmetausch mit den aus dem Feuerraum 4
in nicht näher dargestellter, üblicher Weise abgeführten Abgasen auf eine Temperatur von rund 600° Celsius .vorgewärmt
und so dem Zuführkanal 9 für Verbrennungsluft und damit dem Brenner 6 zugeführt.
In der weiter unten noch näher erläuterten Weise ergibt
sich durch die erfindungsgemäßen Brenner 6 eine kurze intensive
Flamme 11, wie sie in Figur 1 schematisch angedeutet ist. Im Bereich der Mittellinie 1a der Glaswanne tref-Qn
fen die beiden von den Brennern 10 zu jeder Seite der Glas-
schmelzwanne 1 eingeführten Gasströme aufeinander und steigen gemäß Pfeilen 12 nach oben in Ricntung auf das Gewölbe
5, wo sie wiederum nach außen zurückgelenkt werden und die in der Zeichnung schematisch durch die Pfeile 12 veranschaulichte
Gaswalze ergeben. Die Gaswalze 12 liegt in einer Längsströmung im Feuerraum 4 in Richtung auf den Abgasschacht
hin, so daß die heißen Abgase zu beiden Seiten der Längsmittellinie 1a der Glasschmelzwanne 1 im Feuerraum
spiralig dem Abgasschacht zustreben. Dabei hält die Gaswalze gemäß den Pfeilen !2 die Flamme 11 im Bereich der
Oberfläche 3 der Glasschmelze, so daß dort ein intensiver Wärmeübergang stattfindet.
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Wie ohne weiteres ersichtlich ist, treffen die im Bereich der Längsmittellinie 1a aufeinandertreffenden, heißen
Gasströme auf die Innenseite d3s Gewölbes 5 und belasten
diese thermisch. Wenn die Verbrennung in der Flamme 11 langsamer als in Figur 1 veranschaulicht abläuft, und damit
die Flamme 11 bis zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffes entsprechend länger wird, so treffen die beiden
Gasströme in einem Bereich aufeinander, in dem noch Verbrennung stattfindet. Es werden dann die beiden Flammen- ;
spitzen mit der Gasströmung 12 nach oben umgelenkt, so daß
unmittelbar vor dem Auftreffen der Gase auf das Gewölbe 5 , noch Verbrennung stattfindet und entsprechend hohe Gastemperatur
vorherrscht. Hierdurch wird das Gewölbe 5 über Gebühr belastet und muß in relativ kurzen Zeitabständen repariert
werden.
Bezüglich der auftretenden Belastungen ist zu beachten, daß beim veranschaulichten Anwendungsfall in dem betrachteten
Querschnitt eine Feuerraumbelastung durch die Bren- :
ner 6 von im betrachteten Beispielsfalle 80 kcal/m3 s auf- '
tritt, und diese Feuerraumbelastung erforderlich ist, um der Schmelze 3 die gewünschte Wärmemenge zuzuführen. Hierzu
werden im Bereich der Brennerköpfe 10 pro Brenner rund
100 m3/h Gas und rund 1000 m3/h Verbrennungsluft in den
Feuerraum 4 eingeführt und in der- jeweiligen Flamme 11 verbrannt, wird also insgesamt zur Erzielung einer Tagesleistung
der Glasschmelzwanne 1 von 200 Tonnen Glasschmelze an den insgesamt 70 Brennern pro Sekunde eine Gasmenge von
rund 2 m3 mit der zehnfachen Verbrennungsluftmenge verbrannt.
Dabei strömt die Verbrennungsluft durch den Zufuhrkanal 9 mit einer Geschwindigkeit von rund 30 m/s, entsprechend
also rund 100 km/h in den Feuerraum 4 mit einem Querschnitt von rund 9 m2 hinein, so daß die im Brennstoff-Luft-Gemisch
gebildete Flamme 11 bereits voll an die Innenseite des Gewölbes
5 schlägt,wenn die Verbrennung nur etwa eine Sekunde andauert, so daß die Verbrennung zur Erzielung kurzer
Flammen 11 in Bruchteilen einer Sekunde vollständig abgelaufen sein muß.
Zur Erzielung einer solchen schnellen Verbrennung sind bekannte Brenner nicht in der Lage, wohl aber ein erfindungsgemäßer
Brenner, wie er in Figur 2 näher veranschaulicht ist und dessen Brennerkopf 10 in Figur 3 in Einzelheiten
und natürlicher Größe im Wasserversuch dargestellt ist.
Am vorderen Ende des den Zufuhrkanal 7 für den Brennstoff umschließenden Rohres 8 trägt dieses ein Außengewinde 13,
auf das ein Innengewinde 14 am hinteren Ende des Brennerkopfes 10 aufgeschraubt ist. Der Brennerkopf 10 besteht
aus einem Zylinderkörper 15, der das Innengewinde 14 trägt und in einfacher Weise als Drehteil hergestellt sein kann,
und einer Stirnwand 16, welche an der dem Gewinde 14 abgewandten Seite des Zylinderkörpers 15 einen als Brennstoffvorlageraum
dienenden Innenraum 17 des Brennerkopfes 10
abschließt. Die Stirnwand 16, die in der veranschaulichten Weise mit dem Zylinderkörper 15 verschweißt·sein kann, ist
etwa tellerartig mit einer Mulde versehen, deren Boden 16a konzentrisch zur Brennerachse 6a liegt. Rund um den Boden
16a verteilt sind in den schrägen Seitenteilen der Stirnwand 16 vier Austrittsöffnungen 18 jeweils paarweise einander
gegenüber liegend in völlig, symmetrischer Anordnung
zur Brennerachse 6a angeordnet und derart in Richtung auf den Feuerraum 4 schräg nach vorne geneigt, daß sich die
Verlängerungen der Mittelachsen 18a der Austrittsöffnungen 18 alle in einem einzigen Punkt 19 treffen, der auf der
Brennerachse 6a liegt bzw. auf der an derselben Stelle liegenden Achse des Brennerkopfes 10.
Die Austrittsöffnungen 18 sind, wie dies besser aus Figur
3 ersichtlich ist, durch eine Bohrung gebildet, die eine zylindrische Innenfläche 18b der Stirnwand 16 als ümfangs-
AS-
begrenzung der Austrittsöffnungen 18 ergibt. Die axiale
Länge der Innenfläche 18b der Austrittsöffnungen 18 ist mit mehreren Millimetern, im Beispielsfalle mit etwa 8 mm
so gewählt, daß sich ohne zusätzliche Maßnahmen eine ausreichende Bündelung und Ausrichtung eines durch die Austrittsöffnungen
18 hindurchgedrückten Fluidstrahles ergibt. An der dem Innenraum 17 des Brennerkopfes 10 zugewandten
Seite der Austrittsöffnungen 18 schließt sich jeweils eine konische Einströmerweiterung 20 an, die in der
veranschaulichten Weise mit ihrer der Brennerachse 6a benachbarten Innenfläche im wesentlichen parallel zur Brennerachse
6a liegt und so die Umlenkung für eine Einströmung in die Ausströmöffnungen 18 aus dem Innenraum ί7 vermindert.
Wie aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich ist, treffen sich durch die Austrittsöffnungen 18 hindurchtretende' Brennstoff
strahlen 21 alle exakt im Punkt 19 und erzeugen dort einen Sprühkegel 22, der, wie Untersuchungen ergaben, im
Unterschied zu den Sprühstrahlen in Strömungsrichtung vor dem Auftreffpunkt 19 umfangsseitig absolut homogen ausgebildet
ist und in dieser homogenen Verteilung außerordentlich feine Brennstoffteilchen enthält. Die Gründe für
die Ausbildung eines solchen sauberen und absolut homogen nen Sprühkegels 22 aus ganz feinen Brennstoffteilchen aus
im Beispielsfalle 4 kompakten Brennstoffstrahlen mit einem Durchmesser von je im Beispielsfalle 8 mm sind noch
nicht abschließend geklärt. Versuche lassen jedoch vermuten, daß im Auftreffpunkt 19 die Teilchen eines Strahles
21 nur zum Teil, unter Umständen zu einem vernachlässigbar geringen Teil durch die Teilchen eines anderen Strahles
hindurch traten und in der Verlängerung des betrachteten Strahles 21 tatsächlich im Sprühkegel 22 auftreten. Ein
sehr großer Teil der in den Strahlen 21 kompakt enthaltenen Brennstoffpartikel prallt am Auftreffpunkt 19 hingegen
zurück und findet sich im Sprühkegel 22 in demjenigen Umfangsbereich wieder, aus dem der zugehörige Strahl 21
kam. Dabei sind offensichtlich die individuellen Auftreff-
oder Rückprallbedingungen für jedes einzelne Teilchen einer solchen statistischen Verteilung unterworfen, daß
sich insgesamt die homogene Verteilung über den Querschnitt des Sprühkegels 22 aus der inhomogenen Verteilung
in den Strahlen 21 ergibt. In diesem Zusammenhang ist möglicherweise bemerkenswert, daß der Winkel zwischen den
Strahlen 21, der im Beispielsfalle 90° beträgt,natürlich den öffnungswinkel des Sprühkegels 22 beeinflußt, dieser
jedoch etwas geringer ist als der Auftreffwinkel der Strahlen 21, im Beispielsfalle bei etwas über 80° liegt.
Dies könnte daraufhin deuten, daß die in den Strahlen 21 enthaltenen Teilchen mit einem gegenüber ihrem Auftreffwinkel
verminderten Ausfallwinkel den Auftreffpunkt 19 verlassen und dafür gegebenenfalls in Umfangsrichtung zusatzliehe
Winkelabweichungen durchführen, die zur homogenen Ausfüllung des Sprühkegels 22 führen.
Orientierungsversuche haben ergeben, daß die Ausbildung eines homogenen Sprühkegels grundsätzlich erzielbar ist,
wenn der Winkel zwischen jedem Strahl 21 und der Brennerachse 6a bzw. der Achse des Brennerkopfes 10 zur Seite
der Stirnwand 16 hin gemessen mindestens 15° beträgt, was einen relativ schlanken Sprühkegel 22 ergibt, und höchstens
etwa 75° beträgt, was zu einem sehr weit Öffnenden Sprühkegel 22 führt. Zweckmäßig wird der Winkel zwischen
den Strahlen 21 und der Brennerachse 6a jedoch auf einen Bereich zwischen 30° und 60°, bevorzugt zwischen 40° und
50° eingestellt, wobei sich bei dem veranschaulichten Fall eines Winkels von 45° im Rahmen des erläuterten Einsatzfalles
beste Ergebnisse zeigten.
Die Zahl der Austrittsöffnungen 18 ist weitgehend beliebig, soweit sie mindestens drei beträgt. Auch bereits bei
drei symmetrisch angeordneten Austrittsöffnungen 18 ergibt
sich ein homogener Sprühkegel 22, ebenso wie bei den im Beispielsfalle veranschaulichten vier Austrittsöffnungen
18 oder etwa sechs Austrittsöffnungen 18. Die Wahl der Anzahl der Austrittsöffnungen wird somit auf Grund anderer
Zweckmäßigkeitsüberlegungen zu 'treffen sein,
Bei einer tatsächlich getesteten Anordnung wurde Verbrennungsluft im Zuführkanal 9 mit einer Geschwindigkeit von
. etwa 30 m/s und Gas im Zufuhrkanal 7 mit einer Geschwindigkeit von etwa 15 m/s zum Innenraum 17 des Brennerkopfes
10 zugeführt. Da die Verbrennungsluft auf etwa 600° C vorgewärmt ist, kann ihre Vermischung mit dem Brennstoff erst
im Bereich des Brennermundes erfolgen, um vorzeitige Ent-Zündungen zu vermeiden. Die Verbrennungsluft wird in der
veranschaulichten Weise konzentrisch um den Brennerkopf 10, dessen Zylinderkörper 15 umfangseitig geschlossen ist,
zugeführt und strömt zunächst frei über die Vorderkante des Brennerkopfes 10 im Bereich der Stirnwand 16.
Hinter der Vorderkante der Stirnwand 16 herrscht infolge
der Ausbildung der Strahlen 21 ein starker Unterdruck. Hierzu wird die Gesamt-Querschnittsfläche der Austrittsöffnungen 18 im Verhältnis zum Querschnitt des Innenraums j
17 des Brennerkopfes 10 in einem Verhältnis zwischen etwa \
1:5 und 1:20, im Beispielsfalle bei etwa 1:10 gewählt. : Damit wird den Strahlen 21 im Beispielsfalle eine-Geschwin-;
digkeit von etwa 140 m/s, also etwa halbe Schallgeschwin- ;
digkeit erteilt. Diese hohe Geschwindigkeit im Beispiels- ; falle des Gases in den Strahlen 21 ergibt einen ähnlichen \
Effekt wie bei einer Wasserstrahlpumpe, also einen drastischen Druckabfall in der Nachbarschaft der Oberflächen der
Strahlen 21. Hierdurch sieht sich die über die Vorderkante der Stirnwand 16 strömende Verbrennungsluft unmittelbar
an der Vorderkante der Stirnwand 16 einem extrem starken Unterdruck ausgesetzt, der die Verbrennungsluft
trotz ihrer relativ hohen Strömungsgeschwindigkeit stark nach innen ablenkt, wie dies in Figur 2 durch Strömungslinien
23 schematisch veranschaulicht ist. Auf diese Weise wird die Strömung der Verbrennungsluft auf die rückwärtige
Fläche des Sprühkegels 22 gerichtet und dringt fast rechtwinklig mit hoher Geschwindigkeit in diesen ein. Auf diese
Weise erfolgt eine außerordentlich intensive und be-
reits kleinste betrachtete Raumelemente voll erfassende homogene Durchmischung zwischen den ganz fein zerteilten
Brennstoffteilchen und der Verbrennungsluft, so daß sich eine außerordentlich intensive ur.d schnell ablaufende
Verbrennung ergibt. Im Beispielsfalle war die Verbrennung so stark, daß von der gesamten Flamme 11 im Bereich des
sichtbaren Lichtes nichts zu erkennen war, und fotographische Aufnahmen von der Flammenform nur im UV-Bereich hergestellt
werden konnten. Mit dem bloßen Augen konnte man n von der einen Stirnseite des rund 15 m langen Feuerraumes
4 Einzelheiten an der gegenüberliegenden Stirnseite erkennen, lediglich gestört durch starke Flimmererscheinungen,
während bei konventionellen Brennern die Sichtweite infolge der Flammenausbildung allenfalls einige Dezimeter betrug.
-p. Es ergab sich etwa die in Fig. 1 veranschaulichte Ausbildung
der Flamme 11, die in deutlichem Abstand von der vertikalen Mittellinie la des Feuerraums 4 endete, so daß die
hohe Energie in der Flamme 11 weitestgehend auf die Oberfläche 3 der Schmelze übertragen werden konnte, während
2Q in der Aufwärtsströmung im Bereich der Mittelachse la des
Feuerraumes 4 bereits deutliche Abkühlung der Rauchgase auftreten konnte und so die Innenseite des Gewölbes 5 vor
übermäßiger Hitzebelastung und Erosion geschützt war.
2g In Fig. 4 ist die Erfindung am Beispielsfalle eines sogenannten
Unterbordbrenners für eine rekuperative Glasschmelzwanne I1 veranschaulicht. Der Glasschmelzwanne 1*
ist ein Vorwärmer 25 zugeordnet, in dem die Verbrennungsluft im Beispielsfalle auf eine hohe Temperatur von etwa
on 1200°C vorgewärmt werden kann. Infolge dieser hohen Temperatur
der Verbrennungsluft kann diese nicht mehr unmittelbar am Umfang des gegenüber der vorherigen Ausführungsform
unveränderten Brennerkopfes 10 zugeführt werden. Die Zuführung der Verbrennungsluft erfolfgt vielmehr über einen
gg gemauerten Zufuhrkanal 91, aus dem die Verbrennungsluft
mit einer Geschwindigkeit von im Beispielsfalle 12 m/s unter einem Winkel von etwa 22° gegenüber dem mit 3' bezeichneten
Spiegel der Schmelze nach unten geneigt von
oben her in Richtung auf die Wurzel der Flamme 11' strömt. Der Brennerkopf 10 des in der Zeichnung mit 6' bezeichneten
Brenners, der einen rohrförmigen Zuführkanal 7'für Gas aufweist, weist eine gegenüber der Oberfläche 3' der
Schmelze im Winkel von etwa 11° nach oben gerichtete Brennerachse 6a1 auf, so daß der Brennerkopf 10 und der von
diesem gebildete Sprühkegel um etwa die Hälfte des Betrags nach oben geneigt ist, um den die ausströmende Verbrennungsluft
nach unten geneigt ist. Der Brennerkopf 10 sitzt
n im unteren Bereich der Mündung des Zufuhrkanales 9' für
Verbrennungsluft und erzeugt dort in der weiter oben geschilderten Weise den Sprühkegel aus Brennstoff zur Bildung
der Flamme 11', wobei unmittelbar vor dem Brennerkopf
10 in der ebenfalls weiter oben geschilderten Weise
p. starker Unterdruck erzeugt wird. Durch diesen extremen
Unterdruck wird die von oben aus dem Zuführkanal 9' herangeführte
Verbrennungsluft nach unten in den Sprühkegel hinein abgelenkt und durchsetzt diesen weitgehend homogen,
um in der oben geschilderten Weise eine schnelle Verbren-2Q
nung zu gewährleisten.
Es hat sich gezeigt, daß bei konzentrischer Zuführung der Verbrennungsluft bei gleicher Brennerleistung eine hoch
kürzere Flamme erzielbar ist als bei einem Unterbordbrenner
„c gemäß Fig. 4. Gegenüber der extrem großen Flammenlänge
üblicher Unterbordbrenner ergibt sich jedoch eine äußerst drastische Verkürzung der Flamme 11' durch die homogene
Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft bereits im Bereich der Flammenwurzel und nachfolgendem schnellen
OQ Verbrennungsablauf.
Die Erfindung ist nicht auf das Gas als Brennstoff beschränkt, da auch bei einem flüssigen oder entsprechend
fluidisierten Brennstoff bei Bündelung in den Strahlen 3g 21 ein entsprechender Sprühkegel 22 erzeugt werden kann
und keine grundsätzlich anderen Verhältnisse vorliegen. Somit kann der*Brenner 6 oder 6' auch als Zerstäubungsbrenner
beispielsweise für Öl grundsätzlich Verwendung finden.
Claims (12)
- Grünzweig + Hartmann und Glasfaser AG, 6700 LudwigshafenPatentansprücheBrenner, insbesondere Gasbrenner für industrielle Feuerungsanlagen, mit wenigstens einem Zuführkanal für Verbrennungsluft und einem in einen Brennerkopf mündenden Zuführkanal für Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennerkopf (10) auf Seiten des Brennermundes mit einer Stirnwand (16) versehen ist, die eine Mehrzahl von wenigstens drei symmetrisch zur Brennerachse (6a; 6a1) angeordneten und untereinander gleich ausgebildeten Austrittsöffnungen (18) für den Brennstoff aufweist, und daß die Verlängerungen der Mittelachsen (18a) der Austrittsöffnungen (18) einander in einem auf der Verlängerung der Brennerachse (6a; 6a1) liegenden Punkt (19) treffen und mit der Brennerachse (6a; 6a1) gleiche, zur Stirnwand (16) hin liegende spitze Winkel zwischen etwa 15° und 75° einschließen.
- 2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Stirnwand (16) vier Austrittsöffnungen (18) für den Brennstoff vorgesehen sind.
- 3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den Verlängerungen der Mittelachsen (18a) der Austrittsöffnungen (18) und der Brennerachse.(6a; 6a1) zwischen 30° und 60° liegt.
- 4- Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den Verlängerungen der Mittelachsen (18a) der Austrittsöffnungen (18) und der Brenner-achse (6a; 6a') zwichen 40° und 50°, insbesondere bei 45° liegt.
- 5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge-' kennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (18) durch eine zylindrische Innenfläche (18b) der Stirnwand (16) mit einer axialen Länge von mehreren Millimetern, insbesondere von mehr als 5 mm begrenzt sind.!Q
- 6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (18) für den Brennstoff an ihrer Seite, die dem der Brennstoffvorlage dienenden Innenraum (17) des Brennerkopfes (10) benachbart ist, eine konische Einströmerweiterung (2O)■^5 besitzen.
- 7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Gesamtquerschnittsflächen der Austrittsöffnungen (18) zur Querschnittsfläche des der Brennstoffvorlage dienenden Innenraums(17) des Brennerkopfes (10) zwischen 1:5 und 1:20, insbesondere bei 1:10 liegt.
- 8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennerkopf (10) an seinem der Stirnwand (16) abgewandten Ende ein Innengewinde (14) zum Aufschrauben auf ein den Zuführkanal (;7') für den Brennstoff enthaltendes Rohr (8) aufweist.
- 9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführkanal (9) für Verbrennungsluft eine ringförmige, den Brennerkopf (10) konzentrisch umgebende. Mündung aufweist.
- 10. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführkanal (91) für Verbrennungsluft oberhalb des Brennerkopfes (10) ausmündet und in einem spitzen Winkel von insbesondere etwa 22°gegenüber der Horizontalen nach unten geneigt ist, während die Achse (6a1) des Brenners (61) in einem spitzen Winkel von insbesondere etwa 11° gegenüber der Horizontalen nach oben geneigt ist.
- 11. Brennerkopf für einen Brenner nach einem der Ansprüche1 bis 10, gekennzeichnet durch seine Ausbildung als umfangsseitig geschlossener Zylinderkörper (15) mit Abschluß durch eine Stirnwand (16) an einem seiner Enden,IQ sowie weiter dadurch, daß die Stirnwand (16) eine Mehrzahl von wenigstens drei symmetrisch zur Achse (6a) des Brennerkopfes (10) angeordneten und untereinander gleich ausgebildeten Austrittsöffnungen (18) für den Brennstoff aufweist, und daß die Verlängerungen der Mittelachsen (18a) der Austrittsöffnungen (18) einander in einem auf der Verlängerung der Achse des Brennerkopfes (10) liegenden Punkt (19) treffen und mit der Achse des Brennerkopfes (10) gleiche, zur Stirnwand (16) hin liegende spitze Winkel zwischen etwa 15° und 75° einschließen.
- 12. Brennerkopf nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch wenigstens eines der kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 2 bis 8.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: GRUENZWEIG + HARTMANN AG, 6700 LUDWIGSHAFEN, DE |
|
8141 | Disposal/no request for examination |