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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum
Betreiben eines Hochleistungs-Wirbelstrombrenners mit
abgestufter Luftzufuhr. Insbesondere bezieht sich die vorliegende
Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben eines neuartigen und
verbesserten Wirbelstrombrenners mit abgestufter Luftzufuhr für
die Verwendung bei Brennstoff mit geringem Heizwert unter
Saugzugbetrieb.
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Im US-Patent 3,476,494 wird ein Wirbelstrombrenner offenbart,
welcher eine zylindrische Brennkammer und eine Wirbelkammer von
konstantem Durchmesser beinhaltet, deren Funktion darin besteht,
den Verbrennungsprozeß aufrechtzuerhalten und zu begrenzen und
einen hohen Vermischungsgrad zu erreichen, um die
Vollständigkeit der Verbrennung zu gewährleisten.
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Im US-Patent 3,671,173 wird ein verbesserter
Hochleistungsbrenner offenbart, welcher die Notwendigkeit bezüglich einer
Brennkammer beseitigt, welcher aber trotzdem eine hohe
Temperatur in einem verhältnismäßig kleinen, aber strukturell
unbegrenzten Volumen erreicht. Die in jenem Patent offenbarte
Einrichtung basiert auf dem Prinzip des Luft-Wirbelstroms, um die
hohe Temperatur in dem strukturell unbegrenzten Volumen zu
erreichen.
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Im US-Patent 3,746,499 wird ein kammerloser Wirbelstrombrenner
offenbart, welcher einen verwirbelnden Hilfs-Luftstrom
verwendet, um einen hochkonzentrierten Grad an
Brennstoff-Luft-Vermischung und eine hohe Temperatur in einem verhältnismäßig
kleinen, aber strukturell unbegrenzten Volumen zu erreichen.
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Im US-Patent 4,175,920 wird ein Wirbelstrombrenner mit
abgestufter Luftzufuhr offenbart, welcher mit mindestens zwei
Brennstoff-Zuführungsmitteln versehen ist, die es möglich
machen, Brennstoff gleichzeitig entlang von zwei verschiedenen
Strömungsbahnen zu verbrennen.
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Jeder der vorstehenden Brenner und insbesondere die letzten
drei, haben sich als für ihren vorgesehenen Zweck als vollkommen
zufriedenstellend erwiesen. Sie sind jedoch nicht für die
Verbrennung von Gasbrennstoff mit geringem Heizwert, d.h. wenig
Kalorien, zufriedenstellend.
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Schließlich offenbart das US-Patent 4,095,929 einen Brenner für
Gas mit geringem Gehalt an BTU (British Thermal Unit), bei
welchem der Gasstrom in zwei voneinander unabhängige Fließströme
(einen primären und einen sekundären) getrennt wird, welche
entsprechend zu primären und sekundären Luft strömen vor der
Verbrennung abgeführt werden. Das sekundäre Gas wird der Flamme
über einen Gas-Ringspalt zugeführt.
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Grob gesagt ist die vorliegende Erfindung auf der Feststellung
aufgebaut, daß ein verwirbelungsstabilisierter Hochleistungs-
Wirbelstrombrenner in der Lage ist, mit Gas geringen Heizwerts
unter Saugzugbetrieb unter der Voraussetzung zu arbeiten, daß
das Gas mit geringem Heizwert an voneinander entferntliegenden
Stellen in dem Brenner eingespritzt wird, wo die Auswirkung auf
die Verwirbelungs-Aerodynamik minimiert ist.
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Entsprechend der Erfindung wird für ein Verfahren zum Betreiben
eines Wirbelstrombrenners mit abgestufter Luftzufuhr für die
Verwendung bei der Verbrennung von Brennstoff im Saugzugbetrieb
gesorgt, wobei dieser Brenner eine Flammenzone aufweist, in der
eine Flamme beim Betrieb des Brenners erzeugt wird; eine
Wirbelkammer zum Erzeugen eines Wirbelstrompfades für primäre
Verbrennungsluft und primären Brennstoff; Mittel zum Einleiten einer
primären Verbrennungsluft und von primärem Brennstoff in die
Wirbelkammer und von dort in die Flammenzone; einen Ringspalt,
der die Flammenzone umgibt, um eine Mischung von Sekundärluft
und Sekundärbrennstoff in der Weise einzuleiten, daß die
Flammenzone geschnitten wird; und benachbarte ringförmige
Brennstoff- und Lufteinlaßöffnungen in den Ringspalt, wobei bei dem
Verfahren zum Verbrennen von mindestens einem Brennstoff mit
geringem Heizwert und einem Wärmeinhalt im Bereich von etwa 90
BTU/SCF (ca. 3,35 kJ/dm³) bis etwa 400 BTU/SCF (ca. 14,9 kJ/dm³)
in dem Brenner ein Teil des Brennstoffs und der Primärluf]t in
die Wirbelkammer durch den primären Brennstoff und die
Lufteinleitungseinrichtung eingeleitet werden, während der Rest des
Brennstoffs und der Sekundärluft durch die Brennstoff- und
Lufteinlaßöffnungen und in die Flammenzone eingeleitet werden und
zwar unter Bedingungen, bei denen das Gemisch von Sekundärluft
und Brennstoff die Brennerflamme an einer Stelle durchsetzt, die
hinter dem Rezirkulationskern der Flamme liegt, wodurch die
Sekundärluft und der Sekundärbrennstoff mit geringem Heizwert
einen minimalen Effekt auf die aerodynamischen Eigenschaften der
Flamme haben.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
beinhaltet der Brenner Mittel für das Einleiten eines
zusätzlichen Brennstoffs in die Wirbelkammer für eine Verbrennung in der
Flammenzone, wodurch ein Betreiben des Brenners mit einem der
beiden oder beiden Brennstoffen ermöglicht wird.
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Die vorliegende Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung
besser verständlich, die als Beispiel gegeben wird und in
Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu nehmen ist, bei
welchen:
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Fig. 1 eine geschnittene Aufrißansicht durch eine Form eines
Brenners mit abgestufter Luftzufuhr entsprechend der
vorliegenden Erfindung ist;
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Fig. 2 eine perspektivische Ansicht von Wirbelkammer 29 des
Brenners von Fig. 1 ist;
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Fig. 3 eine bruchstückartige geschnittene Aufrißansicht der
Konstruktion von Fig. 1 ist, die das sekundäre Luft- und
Brennstoff-Zuführungsmittel zeigt;
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Fig. 4 eine detaillierte Ansicht eines bevorzugten Wandelements
40a von Fig. 3 ist.
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Die zu beschreibende Ausführungsform dieser Erfindung ist dazu
bestimmt, ein Gas mit geringem Heizwert zu verbrennen, einem
Gas, das ungefähr 125 BTU/SCF (-4,7 kJ/dm³) hat und
typischerweise im Bereich von ungefähr 90 BTU/SCF (-3,35 kJ/dm³) bis
ungefähr 400 BTU/SCF (-14,9 kJ/dm³) liegt und zwar unter
Saugzugbedingungen.
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Unter Beachtung des Vorstehenden wird jetzt auf Fig. 1
verwiesen, in welcher ein kammerloser
Hochleistungs-Wirbelstrombrenner, generell mit 10 bezeichnet, gezeigt wird, der in einem
Ofenboden oder einer Ofenwand mit Hilfe von geeigneten
Schweißungen oder Halterungen (nicht gezeigt) gehalten wird. Der
Brenner 10 hat eine Mischkammer 20, die durch eine äußere, im
wesentlichen zylindrische Wand 22 definiert wird, die auf ihrer
Innenseite mit einer geeigneten Wärmeisolationsschicht 23
beschichtet ist. Die Mischkammer 20 beinhaltet auch eine innere
Endwand 24, die ebenfalls mit einer geeigneten Wärmeisolierung
25 ausgekleidet ist. Die Mischkammer 20 hat eine Einlaßleitung
26, durch welche Verbrennungsluft, die beispielsweise vorgewärmt
sein kann, mit Hilfe eines (nicht gezeigten) äußeren Gebläses
oder dergleichen in die Mischkammer 20 gepreßt wird. Ein Flansch
27 ist an der Einlaßleitung 26 der Mischkammer für die
Verbindung
der Lufteinlaßleitung 26 mit einer geeigneten
Druckluftquelle, z.B. einem Luftzuführungsmittel (nicht gezeigt)
vorgesehen.
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Desgleichen hat, wie man aus den Fig. 1 und 2 ersehen kann, die
Wirbelkammer 29 eine Vielzahl tangentialer Kanalmittel 29,
derart, daß dann, wenn Verbrennungsluft unter Druck in die
Mischkammer 20 eingeleitet wird, diese durch das Kanalmittel 33
entlang einer tangentialen Strömungsbahn in die Wirbelkammer 29
strömt und dadurch einen Wirbelstrom aus primärer
Verbrennungsluft schafft, die sich mit dem Brennstoff vermischt, der der
Wirbelkammer 29 zugeleitet wird.
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Wie man in Fig. 1 sehen kann, ist der obere Bereich der
Wirbelkammer 29 von einer konzentrischen Gasmischkammer 34 umgeben.
Eine Leitung 35 erstreckt sich durch den Boden 24 der
Mischkammer 20 und danach durch den Boden 36 der Gas-Mischkammer 34, um
ein Gas mit geringem Heizwert von einer (nicht gezeigten)
Gasquelle der Mischkammer 34 zum Zweck der letztendlichen Abgabe in
den Brenner für eine Verbrennung darin zuzuleiten. Eine Vielzahl
von tangentialen Kanälen 37 ist vorgesehen, welche mit der Gas-
Mischkammer und dem oberen Abschnitt der Wirbelkammer zum Zweck
des tangentialen und verwirbelten Einleitens des primären Gases
mit geringem Heizwert in Verbindung steht. Die Kanäle 37 sind in
derselben Richtung wie die Luftkanäle 33 orientiert, um dem Gas
mit geringem Heizwert dieselbe tangential gerichtete
Verwirbelung zu erteilen, wenn es dem primären Luftstrom zugeleitet
wird. Die relative Größe der Kanäle 33 und 37 wird auf der
Grundlage des gewünschten Stroms von Gas mit geringem Heizwert
und von Luft in die Wirbelkammer 29 vorbestimmt. Im allgemeinen
ist die relative Größe ausreichend, um für bis zu 20 Prozent
Luftüberschuß für eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs
zu sorgen.
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Wie man aus Fig. 1 und 3 sehen kann, treffen ringförmige
Primärbrenner-Ausmauerungssteine 41, die aus einem geeigneten bei
hoher Temperatur vergießbaren feuerfesten Material hergestellt
sind, auf die Oberseite der Wirbelkammer 29. Sie können daran
mit Hilfe eines geeigneten feuerfesten Zements und einer
geeigneten Stützplatte, wie beispielsweise Platte 40, befestigt
werden. Die Oberseite der Primärbrennerausmauerung 41 ist nach
außen geneigt. Eine zweite ringförmige Brennerauskleidung 42 ist
vorgesehen, welche eine obere ringförmige Fläche 43 hat, die
eine Neigung im wesentlichen ähnlich der und koplanar zu der
sich nach außen neigenden Fläche der ringförmigen
Primärbrennerausmauerung 41 hat.
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Wie in Fig. 1 und 3 gezeigt, bildet der Raum zwischen den
Ausmauerungen 38 und 42 einen kontinuierlichen ringförmigen Spalt
für Sekundärluft und sekundären Brennstoff mit geringem
Heizwert. Wie man leichter aus Fig. 3 ersehen kann, erstreckt sich
die äußere Wand 45 der Mischkammer für Gas mit geringem Heizwert
nach oben über die Basis der primären ringförmigen Ausmauerung
41 hinaus und erstreckt sich dann nach innen zu dem Eintritt zu
Spalt 44 hin und endet gerade da, wodurch zusammen mit dem
vertikalen Wandelement 40a eine ringförmige Öffnung 46 definiert
wird, durch welche Gas mit geringem Heizwert in den Spalt 44 und
von da aus in den Brenner eintritt. Zusätzlich dient die nach
innen gerichtete Wand 45a der Mischkammer für Gas mit geringem
Heizwert auch dazu, zusammen mit der sich neigenden Bodenfläche
47 der sekundären Ausmauerung 42 einen Spalt 48 zu definieren,
durch welchen Luft in den Spalt 44 angrenzend an das Gas mit
geringem Heizwert einströmt, welches in den Spalt 44 über den
Ringspalt 46 eintritt.
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Folglich beinhaltet der Brenner im wesentlichen einen
einheitlichen ringförmigen Spalt, der sich durch die feuerfeste
Ausmauerung erstreckt, durch welche sekundäres Gas mit geringem
Heizwert und Sekundärluft angrenzend aneinander in konvergenter
Richtung zu dem primären Luftstrom hin eingebracht werden
können, um auf diese Weise die Flammen-Hüllkurve zu umschließen und
eine genaue Flammensteuerung und ein inniges Vermischen von
Brennstoff und Luft etwa am Punkt der Brennstoffeinspritzung zu
erhalten.
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Es ist bei der praktischen Durchführung der vorliegenden
Erfindung von spezieller Bedeutung, daß der Spalt 44 so positioniert
ist, daß das sekundäre Gas mit geringem Heizwert und die
Sekundärluft am Schnittpunkt mit der Flamme, vorzugsweise oberhalb
des Rezirkulationskerns der Hauptflamme, eingespritzt werden und
eine minimale Auswirkung auf die Aerodynamik der
wirbelstabilisierten Flamme haben.
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Es wird auch speziell bevorzugt, daß der Sekundärspalt
einstellbar ist. Folglich ist eine Anzahl von
Luftspalt-Distanzstücken 52, beispielsweise drei oder mehr, vorgesehen, deren
Größe auf der Grundlage des gewünschten Luftstroms durch Spalt
48 vorbestimmt wird. Tatsächlich sind die Spalte 48 und 46 so
dimensioniert, daß dafür gesorgt wird, daß ungefähr 40 bis 50
Prozent des Gases mit geringem Heizwert und der Luft durch die
primäre Wirbelkammer 29 strömt und der Rest durch den sekundären
Spalt 44 strömt. Dieses vorzugsweise dimensionierte Verhältnis
erfordert generell, daß die Breite des Spalts 46, wenn dieser
kontinuierlich ist, verhältnismäßig gering ist. Deshalb wird
speziell bevorzugt, daß der Strom an Gas mit geringem Heizwert
in den Spalt 44 hinein dadurch gesteuert wird, daß Spalt 46 so
konstruiert wird, daß er aus einer Vielzahl einheitlich
verteilter Schlitze besteht. So ist, wie in Fig. 4 gezeigt, das
Wandelement 40a mit einer Vielzahl von Schlitzen an der oberen Kante
davon versehen. Auf diese Weise kann das Wandelement 40a soweit
ausgedehnt werden und wird dies vorzugsweise auch, daß es auf
die nach innen gerichtete Wand 45a trifft und dieselbe abstützt,
wobei die Schlitze für einen richtigen Durchgang von Gas mit
geringerem Heizwert in den Spalt 44 hinein sorgen.
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Es sollte beachtet werden, daß der Brenner mit dem üblichen
Zündflammenrohr, wie beispielsweise Rohr 50, versehen ist.
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Bei einer speziell bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung sind Mittel für die Verbrennung eines Hilfs- oder
Alternativbrennstoffs vorgesehen. Folglich verläuft, wie in Fig.
1 gezeigt, durch die Endwand 24 der Mischkammer 20 in einer in
der Mitte liegenden Öffnung eine Leitung 28, welche sich nach
oben erstreckt und in funktioneller Verbindung mit der zentral
und koaxial angeordneten Wirbelkammer 29 steht. Nicht gezeigte
Durchführungsmittel können benutzt werden, um zu gewährleisten,
daß die Leitung 28 eine flüssigkeitsdichte Abdichtung um ihren
Umfang herum zwischen der Leitung und der Basis der Mischkammer
24 und der Basis 30 der Luft-Wirbelkammer 29 aufrechthält. Ein
Mittel 31 für die Zuführung von Öl- oder Gasbrennstoff mit hohem
Heizwert, das eine Düse 32 hat, ist so angepaßt, daß es
innerhalb der Leitung 28 plaziert werden kann, wobei sich die Düse in
die Wirbelkammer hinein erstreckt, um darin Brennstoff
abzugeben, wenn es gewünscht wird. Diese Anordnung gestattet natürlich
ein gleichzeitiges Befeuern des Brenners mit Brennstoff mit
geringem Heizwert und Hilfsbrennstoff und auch ein Befeuern mit
einem der beiden Brennstoffe.
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In Funktion wird Luft durch den Luftkanal 26 in die Mischkammer
20 durch Kanäle 33 in die Wirbelkammer 29 gedrückt. Die Luft,
die in die Wirbelkammer eintritt, bildet den primären Luftstrom.
Da sie tangential in die Wirbelkammer eingeleitet wird, wird
eine starke Wirbelströmung aufgebaut. Der restliche Teil der in
die Mischkammer 20 gedrückten Zuluft tritt in die Flammenzone
durch den kontinuierlichen ringförmigen Spalt 44 ein. Dies ist
der sekundäre Luftstrom. Das Gas mit geringem Heizwert tritt in
die Mischkammer 34 und durch tangentiale Kanäle 37 in die
Wirbelkammer 29 ein, um auf diese Weise einen Wirbelstrom
aufzubauen und sich mit der Luft und den heißen Gasen zu vermischen, die
darin rezirkulieren. Der Anteil des Gases mit geringem Heizwert,
der nicht in die Wirbelkammer 29 eintritt, strömt durch
Mischkammer 34 und Spalt 46 und dann durch den einheitlichen
ringförmigen Spalt 44 in den Brenner. Folglich strömen sowohl die
Sekundärluft und das Gas mit geringem Heizwert durch den Spalt 44
angrenzend aneinander in den Brenner in einer Richtung, welche
die Flamme nach innen und nach oben verformt, um für eine Zone
hoher Turbulenz für die Vermischung des Brennstoffs und der Luft
zu sorgen, um eine vollständige Verbrennung zu erzielen.
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Ein Hilfsbrennstoff, Öl oder Gas, kann wahlweise in den Brenner
über Düse 32 der Brennstoffpistole zugeführt werden. Tatsächlich
wird häufig bevorzugt, den Brenner so zu betreiben, daß
gleichzeitig sowohl Gas mit geringem Heizwert, als auch ergänzender
Brennstoff zugeführt wird.