DE3738141A1 - Brenner, insbesondere gasbrenner - Google Patents

Brenner, insbesondere gasbrenner

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner, insbesondere Gasbrenner, mit einem Düsenrohr und mit einem auf dem Düsen­ rohr befestigten Brennerkonus, welcher Durchtrittsöffnungen für Abgase aufweist, wobei innerhalb des Brennerkonus eine Verwirbelung und Verbrennung der Abgase mit einem durch eine Düse zugeführten Brennstoff erfolgt.
Brenner der genannten Art gelangen als düsengemischte Gas­ brenner überwiegend bei thermischen Nachverbrennungsanlagen zum Einsatz und dienen zur Oxidation von Abgasen. Ferner können derartige Brenner beispielsweise auch zur Aufheizung von Frischluft oder Turbinengasen oder in Umlufttrocknern mit reduziertem Sauerstoffgehalt zum Einsatz gelangen. Der Brennerkonus wurde bisher aus Stahl gefertigt und direkt auf der Außenfläche des Düsenrohres befestigt. Da auch das Düsenrohr regelmäßig aus Stahl bestand, ergaben sich keine besonderen Schwierigkeiten im Hinblick auf das Temperatur­ verhalten und Wärmedehnungen. Andererseits konnte beispiels­ weise bei Fehleinstellungen des Gasgemisches oder bei unvor­ hergesehenen Änderungen der Zusammensetzung des Abgases eine Überhitzung des Brennerkonus auftreten und letztendlich eine Beschädigung oder Zerstörung des Brennerkonus erfolgen. Als Brennstoff kann Erdgas ebenso wie Heizöl oder dergleichen zum Einsatz gelangen.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Brenner der eingangs genannten Art dahingehend weiterzu­ bilden, daß bei einfacher Konstruktion eine hohe Funktions­ sicherheit gewährleistet werden kann. Der Brenner soll auch bei sehr hohen Temperaturen zuverlässig arbeiten und/oder eine verbesserte Verbrennung ermöglichen, wobei auch außer­ gewöhnliche Temperaturerhöhungen nicht zu einer Beschädigung des Brennerkonus führen sollen. Der grundsätzliche Aufbau des Brenners soll im wesentlichen unverändert beibehalten werden können. Schließlich soll der Brenner eine hohe Lebensdauer aufweisen und eventuelle Wartungsintervalle sollen möglichst groß sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß der Bren­ nerkonus aus Ingenieurkeramik, insbesondere Siliziumcarbid, gefertigt ist. Als Ingenieurkeramik werden solche Stoffe bezeichnet, die mechanisch, thermisch sowie chemisch hochbe­ lastbar sind. So hat sich Silizium infiltriertes Silizium­ carbid als besonders zweckmäßig hier erwiesen, das auch bei Temperaturen von 1400°C sich durch eine große Beständigkeit auszeichnet. Durch Nennung dieses besonders vorteilhaften Werkstoffes erfolgt keine Einschränkung der Erfindung hier­ auf und im Rahmen dieser Erfindung können auch andere Werk­ stoffe, die mit dem Siliziumcarbid vergleichbare Eigenschaf­ ten bei hohen Temperaturen aufweisen, zum Einsatz gelangen. Ferner ist eine Befestigungsvorrichtung für den Brennerkonus derart vorgesehen, daß der Brennerkonus in radialer Richtung mit Spiel bezüglich des Düsenrohres befestigt ist und in axialer Richtung zuverlässig arretiert ist.
Der erfindungsgemäße Brenner zeichnet sich bei einfacher Konstruktion durch eine funktionssichere Befestigung des Brennerkonus auf das Düsenrohr aus. Wärmespannungen, die in­ folge der unterschiedlichen Wärmedehnungen des aus Oxidkera­ mik insbesondere Siliziumcarbid, gefertigten Brennerkonus und des vor allem aus Stahl bestehenden Düsenrohres ent­ stehen, werden durch das radiale Spiel zuverlässig ausge­ glichen, ohne daß es hierbei zu einer Beschädigung des Bren­ nerkonus kommen kann. Zweckmäßig ist der Brennerkonus mit einem im wesentlichen zylindrischen Teil über das vordere Ende des Düsenrohres geschoben, wobei der Innendurchmesser des zylindrischen Teiles einen vorgegebenen Betrag größer ist als der Außendurchmesser des Düsenrohres. Ferner ist auf dem Düsenrohr eine Hülse befestigt, welche mit Spiel außen den zylindrischen Teil des Brennerkonus übergreift. Zur axialen Festlegung weisen die Hülse und der zylindrische Teil des Brennerkonus wenigstens eine, insbesondere drei, radial fluchtende Bohrungen auf, durch welche Schrauben hindurchgeführt sind. Der zylindrische Teil weist also so­ wohl nach innen zum Düsenrohr als auch nach außen zu der genannten Hülse jeweils einen Ringspalt auf, die zuverlässig einen Ausgleich von Durchmesserveränderungen infolge von Temperaturänderungen ermöglichen. Ein festes Aufsitzen oder Einspannen des Brennerkonus wird zuverlässig unterbunden und das Aufreißen oder Abplatzen des aus der vergleichsweise spröden Ingenieurkeramik bestehenden Brennerkonus wird zu­ verlässig unterbunden.
Eine wichtige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Düsenrohr einschließlich Brennerkonus in Richtung seiner Längsachse verschiebbar angeordnet ist und mittels einer Regeleinrichtung bezüglich einer Brenn­ kammerblende in eine vorgebbare Position einstellbar ist. Zwischen der Brennkammerblende und dem Brennerkonus ist ein insbesondere ringförmiger Spalt vorhanden, dessen Durch­ trittsquerschnitt entsprechend der jeweiligen Stellung des Brennerrohres veränderbar ist; die durch den genannten Ring­ spalt hindurchtretende Gasmenge ist folglich veränderbar. Zweckmäßig wird die Druckdifferenz zu beiden Seiten der Brennkammerblende, also einerseits in der Brennkammer und andererseits in der Gaszuführung, als Regelgröße vorgesehen. Die dem Brenner zuzuführende Abgasmenge kann im Vergleich mit bisher üblichen Brennern in einem erheblich größeren Maße variiert werden, wobei gleichwohl eine optimale Ver­ brennung gewährleistet wird. So ist es beispielsweise mög­ lich, Abgas von drei Lackieranlagen dem gleichen Brenner zwecks Nachverbrennung zuzuführen, wobei unabhängig von der Anzahl der jeweils in Betrieb befindlichen Lackieranlagen, eine optimale Nachverbrennung gewährleistet wird. Eine gleichmäßige Verbrennung wird bei hohem Wirkungsgrad er­ reicht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch das vordere Ende des Düsenrohres samt Brennerkonus.
Fig. 2 eine schematische Darstellung des in axialer Richtung regelbaren Brenners.
Fig. 1 zeigt einen axialen Schnitt durch einen Brennerkonus 2, dessen hinteres Ende einen im wesentlichen zylindrischen Ring 4 aufweist. Der Brennerkonus 2 besteht zusammen mit dem integral ausgebildeten Ring 4 aus Ingenieurkeramik, und zwar insbesondere Silizium infiltriertes Siliziumcarbid, das für Temperaturen bis 1400°C zum Einsatz gelangt und dessen Sintertemperatur in der Größenordnung von 2500°C liegt. Im Rahmen dieser Erfindung kann der Brennerkonus ganz allgemein aus Industriekeramik bestehen, die vergleichbare Werkstoff­ eigenschaften wie Siliziumcarbid aufweist. Derartige Werk­ stoffe zeichnen sich durch eine hohe Temperaturwechselbe­ ständigkeit aus und gewährleisten auch bei hohen Brenntempe­ raturen eine hohe Standzeit des Brennerkonus. Darüber hinaus wurde überraschend festgestellt, daß insbesondere bei einem Brennerkonus aus Siliziumcarbid die Verbrennung gegenüber einem im übrigen übereinstimmenden Brennerkonus aus Stahl wesentlich verbessert wurde; diese optimierte Verbrennung wird durch die katalytische Wirkung erklärt. Der Brenner­ konus 2 weist eine Anzahl von Durchbrechungen 6 auf, die als Bohrungen ausgebildet sind und den Durchtritt des Abgases in den Innenraum 8 ermöglichen.
Der Brennerkonus 2 ist mit dem Ring 4 über das vordere Ende eines Düsenrohres 10 geschoben. Dieses Düsenrohr 10 enthält eine hier nicht weiter dargestellte Düse, durch welche das durch eine Gasregelstrecke in gewohnter Weise herbeigeführte Brenngas in den Innenraum 8 des Brennerkonus 2 strömt. In dem Innenraum 8 findet eine Verwirbelung und intensive Ver­ mischung von Abgas und Brennergas statt, wodurch eine voll­ ständige Verbrennung der Abgase erreicht wird. Die Wärme­ leistung des Brenners und letztendlich die Verbrennungstem­ peratur kann durch Regelung der Menge des zugeführten Brenn­ gases erreicht werden.
Das aus Stahl bestehende Düsenrohr weist ein anderes Wärme­ dehnungsverhalten auf als der aus Siliziumcarbid bestehende Brennerkonus. Um Wärmespannungen infolge von Durchmesser­ änderungen des Düsenrohres sowie des Ringes 4 und infolge­ dessen eine Beschädigung des Brennerkonus 2 zu vermeiden, ist zwischen der Außenfläche 12 des Düsenrohres 10 und der Innenfläche 14 ein Ringspalt 16 vorhanden, der zur Verdeut­ lichung hier vergrößert dargestellt ist. Eine Durchmesser­ differenz in der Größenordnung von 1,5 mm hat sich als be­ sonders zweckmäßig erwiesen.
Es ist eine Hülse 18 vorhanden, deren vorderer Teil 20 den Ring 4 übergreift und deren hinterer Teil 22 auf dem Düsen­ rohr 10 festgelegt ist. Der hintere Teil 22 liegt satt an dem Düsenrohr 10 an und zur Festlegung ist wenigstens eine Bohrung 24 vorgesehen, in deren Innengewinde eine Schraube oder dergleichen zwecks Verspannung mit dem Düsenrohr 10 einschraubbar ist. Zwischen dem vorderen Teil 20 der Hülse 18 und dem Ring 4 ist hingegen ein zweiter Ringspalt 26 vorgesehen, der im wesentlichen gleich groß sein kann wie der bereits erläuterte erste Ringspalt 16. Dies gilt für Normalbedingungen, also bei einer Umgebungstemperatur von 20°C. Beide Ringspalte 16, 20 sind im Rahmen dieser Erfin­ dung in der Weise vorgegeben, daß über den gesamten Tempera­ turbereich, wobei Brennkammertemperaturen von 1200°C heute üblich sind, der Ring 4 des Brennerkonus 2 weder auf der Außenfläche 12 des Düsenrohres aufsitzt noch innen an der Hülse 18 anliegt.
Zur axialen Festlegung des Brennerkonus 2 weist die Hülse 18 im vorderen Teil 20 wenigstens eine, zweckmäßig drei über den Umfang gleichmäßig verteilte Bohrungen 28 auf, in deren Innengewinde jeweils eine Schraube einschraubbar ist, wie es durch die strichpunktierte Linie 30 angedeutet ist. Der Ring 4 enthält mit den Bohrungen 28 fluchtende Bohrungen 32 durch welche die genannten Schrauben hindurchgreifen. Wesentlich ist insoweit, daß der Außendurchmesser dieser Schrauben kleiner ist als der Innendurchmesser der Bohrungen 32, so daß über den gesamten Temperaturbereich ein Festklemmen vermieden wird. Die Schraubenspitze kann hingegen auf der Außenfläche 12 des Düsenrohres 10 aufsitzen, wodurch in vorteilhafter Weise eine Drehsicherung erreicht werden kann.
Zwischen der Außenfläche 12 und dem übrigen Teil des Düsen­ rohres 10 ist eine Ringschulter 34 vorhanden, mit welcher ein Bund 36 der Hülse 18 fluchtet. Es ist damit zwecks Mon­ tageerleichterung ein Anschlag geschaffen, so daß einerseits die über den Umfang verteilten Bohrungen 24, 28 gut aufein­ ander ausgerichtet werden können und andererseits ein zu weites Einschieben des Brennerkonus in die Hülse 18 hinein vermieden werden kann.
Fig. 2 zeigt eine besondere Ausgestaltung, wobei nunmehr auch die den Brennerkonus 2 zumindest teilweise umgebende Brennkammerblende 38 angedeutet ist. Die Innenfläche 40 der Blende 38 ist gleichfalls konisch ausgebildet, wobei jedoch die Konusspitze auf der anderen Seite liegt als die des Brennerkonus 2. Das Abgas strömt in Richtung der Pfeile 42 durch den Kanal 43 zum Brennerkonus 2, wobei ein Teil durch die oben genannten Durchbrechungen 6 in den Innenraum des Brennerkonus gelangt und ein anderer Teil durch den Ring­ spalt 44 direkt in die Brennkammer 46 strömt. Erfindungsge­ mäß ist das Düsenrohr 10 samt Brennerkonus 2 in Richtung der Längsachse 48 verstellbar. Die Querschnittsfläche des Ring­ spaltes 44 ist folglich vorgebbar. Es darf festgehalten werden, daß bei bisher üblichen Brennern der Regelbereich für die Abgasmenge etwa bei 2 : 1 lag, wobei nur in diesem Regelbereich eine gute Verbrennung gewährleistet werden konnte. Aufgrund der vorgeschlagenen axialen Verstellbarkeit wird in überraschend einfacher Weise der Regelbereich erheb­ lich vergrößert. Hierdurch können Investitionskosten wesent­ lich reduziert werden, da beispielsweise die Abgase von mehreren Lackieranlagen einer Nachverbrennungsanlage mit nur einem Brenner zugeführt werden können. Unabhängig von der Anzahl der momentan in Betrieb befindlichen Lackieranlagen wird durch Regelung entsprechend dem Differenzdruck zu beiden Seiten der Brennkammerblende 38 eine optimale Ver­ brennung sichergestellt.
Das Düsenrohr 10 ist bezüglich einer stationär angeordneten Wand 50 in Richtung der Längsachse 48 mittels Lagern 52 ver­ stellbar. Es sei angemerkt, daß auch die Brennkammerblende 38 stationär angeordnet ist. Die Wand 50 weist ein Rohr 53 und zum Brennerkonus 2 hin eine Isolierbox 54 auf, die das Lager 52 ebenso wie das Düsenrohr 10 mit Abstand umgeben. Die Lager 52 können mit Druckluft gespeist werden, welche bedarfsweise durch die Dichtungen 56 nach vorne entweichen und gleichzeitig auch zur Kühlung dienen kann.
An der Wand 50 ist ein Stellantrieb 58 angeordnet, welcher beispielsweise als ein Hydraulikzylinder mit einer Kolben­ stange 60 ausgebildet ist. Durch die Nennung eines Hydrau­ likzylinders soll insoweit keine Einschränkung erfolgen, denn im Rahmen dieser Erfindung kann der Stellantrieb 58 auch als ein elektrisch betätigbarer Antrieb oder derglei­ chen ausgebildet sein. Die Antriebs- bzw. Kolbenstange 60 ist über ein Gelenk 62 an einem Lagerbock 64 des Düsenrohres 10 angelenkt. Bei Betätigung des Stellantriebes 58 ist die Antriebsstange 60 gemäß dem Doppelpfeil 66 bewegbar und ebenso auch das Düsenrohr 10.
Die Betätigung des Stellantriebes 58 erfolgt mit Hilfe eines Reglers 68. Dem Regler 68 werden die elektrischen Signale von zwei Sonden 70, 72 zugeführt, die zwecks Erfassung des Differenzdruckes in dem Kanal 43 bzw. in der Brennkammer 46 angeordnet sind.
Bezugszeichenliste:
 2 Brennerkonus
 4 Ring
 6 Durchbrechung
 8 Innenraum
10 Düsenrohr
12 Außenfläche von 10
14 Innenfläche von 4
16 Ringspalt
18 Hülse
20 vorderer Teil
22 hinterer Teil
24 Bohrung in 22
26 zweiter Ringspalt
28 Bohrung in 20
30 Linie
32 Bohrung in 4
34 Ringschulter
36 Bund
38 Brennkammerblende
40 Innenfläche
42 Pfeil
43 Kanal
44 Ringspalt
46 Brennkammer
48 Längsachse
50 Wand
52 Lager
53 Rohr
54 Isolierbox
56 Dichtung
58 Stellantrieb
60 Antriebsstange
62 Gelenk
64 Lagerbock
66 Doppelpfeil
68 Regler
70, 72 Sonde

Claims (10)

1. Brenner, insbesondere Gasbrenner, mit einem Düsenrohr und mit einem auf dem Düsenrohr befestigten Brennerkonus, wel­ cher Durchtrittsöffnungen für Abgase aufweist, wobei inner­ halb des Brennerkonus eine Verwirbelung und Verbrennung der Abgase mit einem durch eine Düse zugeführten Brennstoff erfolgt, dadurch gekennzeichnet,daß eine mit dem Düsenrohr (10) ver­ bundene Hülse (18) einen Ring (4) des Brennerkonus (2) über­ greift,
daß der Brennerkonus (2) aus Ingenieurkeramik, insbesondere Siliziumcarbid, besteht,
daß der Ring (4) radial nach innen zur Außenfläche (12) des Düsenrohres (10) einen ersten Ringspalt (16) und radial nach außen zur Hülse (18) einen zweiten Ringspalt (26) aufweist, wobei die Ringspalte (16, 26) im Arbeitsbereich des Brenners nicht kleiner als Null werden,
und daß der Brennerkonus in Richtung der Längsachse (48) derart festgelegt ist, daß der Ring (4) radiale Durchmesser­ änderungen im Arbeitsbereich ungehindert durchführen kann.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein hinterer Teil (22) der Hülse (18) im wesentlichen spielfrei und/oder fest auf dem Düsenrohr (10) befestigt ist und daß die Hülse (18) mit einem vorderen Teil (20) den Ring (4) unter Belassung des Ringspaltes (26) übergreift.
3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Teil (20) wenigstens eine radiale Bohrung (28) auf­ weist, mit welcher eine Bohrung (32) des Ringes (4) fluchtet und daß durch die beiden Bohrungen (28, 32) ein insbesondere als Schraube ausgebildetes Befestigungselement hindurch­ greift, welches bezüglich der Bohrung (32) des Ringes (4) ein dessen radiale Bewegbarkeit gewährleistendes Spiel aus­ weist.
4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß über den Umfang verteilt die Hülse (18) und
der Ring (4) jeweils drei miteinander verfluchtende Bohrun­ gen (28, 32) aufweisen und/oder daß die genannten Bohrungen (28, 32) im wesentlichen in der Mitte der axialen Er­ streckung des Ringes (4) angeordnet sind.
5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der vordere Teil (20) der Hülse einen größeren Innendurchmesser als der hintere Teil (22) aufweist, wobei ein Bund (36) vorhanden ist, und/oder daß an die Außenfläche (12) der übrige Teil des Düsenrohres (10) über eine Ring­ schulter (34) anschließt, die bevorzugt mit dem genannten Bund (36) fluchtet.
6. Brenner, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsenrohr (10) mit dem Bren­ nerkonus (2) in Richtung der Längsachse (48) bezüglich einer Brennkammerblende (38) einstellbar angeordnet ist.
7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsenrohr (10) mittels eines Lagers (52) bezüglich einer Wand (50) axial verschiebbar angeordnet ist.
8. Brenner nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wand (50) ein Rohr (53) angeordnet ist, das einen größeren Durchmesser als das Düsenrohr (10) aufweist, wobei zwischen dem Rohr (53) und dem Düsenrohr (10) das genannte Lager (52) angeordnet ist.
9. Brenner nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mit dem Düsenrohr (10) ein Stellantrieb (58) gekoppelt ist, der von einem Regler (68) ansteuerbar ist.
10. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Regler (68) zwei Sonden (70, 72) gekoppelt sind, mittels welchen als Istwert die Druckdifferenz zwischen dem das Abgas führenden Kanal (43) und der Brennkammer (46) erfaßt wird.
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