DE4001378C2 - Flachflammenbrenner für Gas und/oder Heizöl - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DD 2 68 505 A1 ist ein derartiger Brenner bekannt, bei dem ein sich progressiv erweiternder Brennerstein vorgesehen ist, in den mittels einer Verdralleinrichtung eine entspre­ chend rotierende Strömung aus einem Brennstoff-Luft-Gemisch eingeführt wird. Wird die drallbehaftete Flamme durch den sich stromab progressiv öffnenden Brennerstein, an dessen innerer Fläche sie sich anschmiegt, geführt, breitet sie sich in einer Ebene senkrecht zur Brennerachse aus und wird bei Überströmen der sich in dieser Ebene erstreckenden Wand durch den Coanda-Effekt in Wandnähe gehalten. In die Flamme wird infolge der sich einstellenden statischen Druckverteilung Gas aus der Umgebung beigemischt. Dieser Brenner begünstigt den konvektiven Wärmeübergang vom Flammgas auf das zu er­ wärmende Gut und fördert die Ausbildung einer gleichförmigen Temperaturverteilung im umgebenden Raum. Angesichts der sich wegen der progressiven Erweiterung des Brennersteins erge­ benden Strömungsverhältnisse strömt in den Verbrennungskanal Abgas aus dem Ofen ein. Hierdurch wird ein Teil der frei­ werdenden Energie vom Abgas aufgenommen, so daß die max. Gastemperatur entsprechend reduziert wird. Auch wird das rückgeführte Abgas erneut hohen Temperaturen unterworfen, so daß eine Nachverbrennung evtl. enthaltener brennbarer Anteile erfolgen kann.

Die Drallbeaufschlagung des aus dem Mischraum austretenden Brennstoff-Luft-Gemisches in Verbindung mit einem Stauring führt zu einer an letzterem stabilisierten Flamme mit einer Zone statischen Unterdrucks in der Nähe der Brennerachse, insbesondere im Bereich des noch engen Teils des Brenner­ steins, so daß rückströmendes Abgas bis in den Bereich der Flammwurzel einfließen kann. Hierdurch kann die Flamme soweit abgekühlt werden, daß der Ausbrand unvollständig wird, wodurch sich erhöhte CO- und CH-Emissionen ergeben. Es ist sogar möglich, daß die Zündfähigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches beeinträchtigt wird, was insbesondere bei niedrigerer Tem­ peratur und bei Sauerstoffarmut des rückgeführten Abgases der Fall ist. Beim Anheizen eines mit einem solchen Brenner ausge­ rüsteten Ofens kann demgemäß die Flamme erlöschen, wenn der Restsauerstoffanteil im Abgas abnimmt. Eine Stabilisierung der Verbrennung läßt sich durch Durchführung derselben unter Luftüberschuß erreichen. Ein solcher Luftüberschuß führt allerdings zu einer Temperaturabsenkung in der Flammwurzel, die so stark sein kann, daß der Ausbrand bei niedriger Um­ gebungstemperatur unvollständig wird. Dann steigt - entgegen aller Erwartungen - der CO-Gehalt parallel zum O₂-Gehalt an; diese Gehalte sinken erst dann wieder ab, wenn das rückge­ führte Abgas Temperaturen von einigen 100 Grad angenommen hat.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß der Kaltstart derartiger Brenner problembehaftet ist.

Die DE-OS 21 29 357 zeigt einen Gasbrenner mit niedriger NO_x- Emission, bei dem ein Gas-Luft-Gemisch innerhalb einer Brenn­ kammer teilweise verbrannt wird. Um die noch brennbaren Be­ standteile des die Verbrennungskammer verlassenden Gasstroms zu nutzen, findet in einem Abzugsrohr eine Nachverbrennung statt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsge­ mäßen Flachflammenbrenner so auszubilden, daß bei gleich­ mäßiger Temperaturverteilung im Ofenraum und guter Wärme­ übertragung sowie einem sicheren Betrieb des Brenners auch bei einem Kaltstart eine niedrige NO_x-Emission gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst; hiernach wird der Bren­ ner mit einer Vorbrennkammer ausgerüstet, in der das Ge­ misch aus Verbrennungsluft und Brennstoff zündet und teilweise verbrennt, bevor es in den eigentlichen Brennraum übertritt.

Bei dem erfindungsgemäßen Brenner fließt Abgas durch hohe Drallvorgabe der Verbrennungsluft in den Unterdruck-Trichter der sich aufweitenden Flamme zurück, aber nicht bis in den Bereich der Flammwurzel, in dem die Mischung von Brennstoff und Verbrennungsluft noch unvollständig ist. Die Brennstoff- und Luftströme werden in einer Vorzone gemischt und gezündet und, erst nach hinreichendem Teilausbrand, mit entsprechender Temperaturerhöhung in die Zone eingeführt, in der sie sich mit rückströmendem Abgas vermischen können.

Die Verbrennung erfolgt daher in mehreren Stufen in ent­ sprechend zuzuordnenden Teilräumen im Bereich des Brenner­ kopfes, im ersten in einem voreingestellten, nahezu stöchiometrischen Mischungsverhältnis, jedoch unvollständig in einem nachfolgenden Teilraum mit Beimischung von Abgas stark retardiert und erst vollständig in einem Raum, in dem durch die Aufweitung des Brennersteins die Fließgeschwindig­ keit der Gemisch-Strähnen soweit abgebaut ist, daß sie die Zündgeschwindigkeit unterschreitet. Dieser dritte Teilraum ist durch starke Temperaturerhöhung der Flamme und Erhitzung des Brennersteins markiert.

Hierdurch wird erreicht, daß trotz starker Abgasrückführung ein sicherer Betrieb des Brenners auch bei einem Kaltstart und bei geringem O₂-Gehalt des rückströmenden Abgases mög­ lich ist, daß der Brenner zuverlässig direkt elektrisch gezündet werden kann, daß der Regelbereich des Brenners, d. h., die Variationsbreite seiner Durchsatzleistung, erweitert wer­ den kann und daß der Brennerkopf und isolierte Durchführungen von Zünd- und Überwachungselektroden vor Verschmutzung durch Brennstoffderivate und durch in der Ofenatmosphäre vorhandene Staub- und Rauchbestandteile geschützt sind.

Besonders einfach läßt sich gemäß Patentanspruch 2 die Vor­ brennkammer mittels einer Trennscheibe gegen den Brennraum abgrenzen.

Bei einer axialen Erstreckung der Vorbrennkammer gemäß Pa­ tentanspruch 3 ist sichergestellt, daß das Gemisch aus Brennstoff und Verbrennungsluft zuverlässig gezündet und in einem für den Betrieb des Brenners genügenden Ausmaß teil­ weise verbrannt wird.

In konstruktiv wenig aufwendiger Weise ist die Trennscheibe gemäß den Patentansprüchen 4-6 an den Düsenstock anbau­ bar. Sofern der Durchmesser der Trennscheibe gemäß Patentan­ spruch 7 das 0,6-0,85fache des Innendurchmessers des Bren­ nerrohres beträgt, ist der Eintritt von Abgasen aus dem Brenn­ raum in die Vorbrennkammer zuverlässig vermieden, da der zwischen dem Innenumfang des Brennerrohres und dem Außenum­ fang der Trennscheibe verbleibende Ringraum durch ausströmen­ des Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisch gegen den Durchtritt von Abgas aus dem Brennraum in die Vorbrennkammer gesperrt ist.

Durch die kegelstumpfförmige Ausgestaltung der Trennscheibe gemäß Patentanspruch 8 kann das Volumen der Vorbrennkammer vergrößert werden und gemäß Patentanspruch 9 eine scharfe Umfangskante geschaffen werden, die ein Anhaften von Abla­ gerungen jeder Art erschwert.

Bei der Ausgestaltung des Brenners gemäß Patentanspruch 10 ist ein Schutz der Elektroden gegen die Anlagerung von aus dem Brennraum stammenden Stoffen möglich. Insbesondere bei der scharfkantigen Ausgestaltung der Trennscheibe sind zwi­ schen den Elektroden und den diese umgebenden scharfkantigen Abschnitten der Trennscheibe Temperaturverhältnisse schaff­ bar, die eine besonders zuverlässige Zündung des Gemisches aus Brennstoff und Verbrennungsluft durch eine Zündelektro­ de und eine besonders genaue Überwachung der Zündung und Vor­ verbrennung in der Vorbrennkammer durch eine Meßelektrode zulassen.

Gemäß Patentanspruch 11 kann die Vorbrennkammer mit der Trenn­ scheibe und den bereits im Bereich des Brennerkopfs ohnehin vorhandenen Bauteilen des Brenners ausgebildet werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung eines Flachflammenbrenners,

Fig. 2 die Darstellung der Strömungsverhältnisse im Be­ reich des Flachflammenbrenners und

Fig. 3-7 Ausführungsbeispiele wesentlicher Bestandteile des Flachflammenbrenners.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Flachflammenbrenner wird ein Brennerrohr 1 über einen Anschluß 15 mit Verbrennungs­ luft beaufschlagt. Bevor die Verbrennungsluft in den Brenner­ kopf eintritt, wird sie mittels einer als Verdralleinrichtung dienenden, in ihrem Außenabschnitt mit zur Brennerachse A geneigten Schlitzen 6 versehenen Drallscheibe 2 verdrallt.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel dient als Brennstoff Gas, das über einen Anschluß 16, ein die Drallscheibe 2 durch­ setzendes Gaszufuhrrohr 17 und einen mit Austrittsdüsen in Form von Gasaustrittsbohrungen 5 versehenen, am freien Ende des Gaszufuhrrohrs 17 angeordneten achsnahen Düsenstock 3 (Zy­ linder) in eine im Bereich des Brennerkopfs ausgebildete Vorbrennkammer 7 eintritt. Diese Vorbrennkammer 7 ist gegen einen Brennraum 8 des Brennerkopfs durch eine Trennscheibe 4 abgetrennt.

Durch diese Trennscheibe 4 wird verhindert, daß aus dem Ofen stammendes Abgas in die Vorbrennkammer 7 eindringen kann, in der das Gemisch aus Verbrennungsluft und Brennstoff, hier Gas, gezündet und teilweise verbrannt wird. Das Eindringen von Abgas aus dem Brennraum 8 durch den zwischen dem Außen­ umfang der Trennscheibe 4 und dem Innenumfang des Brenner­ rohrs 1 ausgebildeten Ringraum wird durch das stromab strö­ mende Gemisch aus Brennstoff und Verbrennungsluft verhindert.

In Fig. 2 sind zur Erläuterung der Strömungsverhältnisse im Brennerstein 14 und am Übergang zwischen Brenner und Ofen­ raum die Geschwindigkeiten der unterschiedlichen Gas­ strömungen in unterschiedlicher Entfernung von der Öff­ nungsfläche des Brennersteins und von der Brennerachse A dar­ gestellt. Die den Bereich des Brennersteins verlassende Gas­ strömung E trifft auf die aus dem Ofenraum in den Raum in­ nerhalb des Flammenbereichs eingesaugte Gasströmung R und wird mit letzterer vor dem Ausbrandbereich durchmischt, den die Gasströmung A verläßt. Die Rückstromzone erstreckt sich bis etwa zu einem Abstand von 450 mm vom Mittelpunkt der Öffnungsfläche des Brennersteins.

Die in Fig. 3 dargestellte Vorbrennkammer 7 wird gebildet durch das Brennerrohr 1, die mit peripheren Schlitzen 6 oder Bohrungen versehene Drallscheibe 2, den achsnahen Zylinder 3 mit Gasaustrittsbohrungen 5 und die Trennscheibe 4.

Die durch die Schlitze 6 der Drallscheibe 2 fließende Luft wird zu Strähnen aufgefächert und durch die Verschränkung gegen die Brennerachse A verdrallt. In diesen Schlitzen 6 und/oder im Bereich des achsnahen Zylinders 3 wird das Brenngas durch eine Vielzahl einzelner Gasaustrittsbohrungen 5 in die aufgefächerte Luftströmung eingeleitet und mit dieser soweit vermischt, daß es in der Vorbrennkammer 7 zündfähig ist. Das die Vorbrennkammer 7 verlassende noch in Reaktion befindliche Gas kann sich erst stromab der Trennscheibe 4 mit axial rückströmendem Abgas vermischen. Da rückströmendes Abgas von der Vorbrennkammer 7 ferngehalten wird, kann hier die Temperatur der Gase soweit ansteigen, daß die Zünd­ fortleitung im Brennraum 8 bis zum Ausbrandbereich 9 nicht durch Abgasbeimischung gestört wird. Durch die Verdünnung der Reaktionsgase im Brennraum 8 erfolgt die Verbrennung im Ausbrandbereich 9 bei soweit erniedrigter Temperatur, daß thermische NO_x-Bildung in nur geringem Maße stattfinden kann. Im praktischen Betrieb wurden bei ca. 400°C Luftvorwärmung und 950-1000°C Ofenraumtemperatur zwischen 200 und 350 mg/m³ NO_x (bez. auf 5% O₂) gemessen.

Bei dem mit der Trennscheibe 4 ausgerüsteten Brennerkopf in einem drallbehafteten Flachflammenbrenner ist der Reaktions­ raum in die Vorbrennkammer 7, in der die Vormischung, Zün­ dung und eine teilweise Verbrennung ohne Rückmischung von Abgas stattfinden, und in den Brennraum 8 aufgeteilt, in dem die Mischung mit rückströmendem Abgas abläuft, die verant­ wortlich ist für niedrige Flammtemperatur und damit den re­ duzierten NO_x-Ausstoß.

Die in Fig. 4 gezeigte Trennscheibe 4 ist aus hochhitzebe­ ständigem Metall oder Keramik, kreisrund oder als kreis­ förmiger Ring, ausgebildet und hat einen Durchmesser zwischen dem 0,6 und 0,85fachen des Innendurchmessers des Brennerrohrs 1. Ihr Abstand s von der Vorderseite der Drallscheibe 2 sollte mindestens 10, aber nicht mehr als 35 mm betragen. Sie kann gemäß Fig. 5 eine sich stromab stetig erweiternde Mantel­ fläche aufweisen, die mit der Stirnfläche eine scharfe Um­ fangskante 12 bildet. Gegen diese scharfe Kante kann der Zündfunke von einer im Abstand von einigen Millimetern vorbeigeführten stabförmigen Zündelektrode 13 überspringen.

Die scharfkantige Ausformung der Trennscheibe 4 gemäß Fig. 5 führt zu einer spontanen Erwärmung des dünnwandigen Kan­ tenbereichs, so daß sich ein thermionisches Flammüberwachungs­ signal unmittelbar nach der Brennerzündung entwickelt.

Wird der Brenner mit Zündelektroden für eine direkte elek­ trische Hochspannungszündung und mit einer Stabelektrode für thermionische Flammüberwachung ausgerüstet, sollte die Trenn­ scheibe 4, die auch als Aufsteckring ausbildbar ist, mit seitlichen Ausnehmungen 11 versehen werden, wie in Fig. 6 dargestellt, durch die die Elektroden 13 geradlinig hin­ durchgeführt werden können. Der Zündfunke kann dann zu den Kanten 12 überspringen; er bildet sich in einer Zone, in der er weder vom Strom der Verbrennungsluft fortgerissen werden kann, noch ein für die Zündung unzureichendes Gasgemisch berührt. Um die stabförmigen Elektroden bildet sich im Bereich der Ausnehmungen 11 eine Zirkularströmung aus, die sowohl die Zündfähigkeit begünstigt als auch ein für die Flammenüber­ wachung verwendbares Ionisationsstrom-Signal vergrößert.

Statt kreisförmig mit halbkreisförmigen Ausnehmungen 11 kann auch die Trennscheibe 4 gemäß Fig. 7 die Kontur eines Poly­ gonzuges oder einer Ellipse aufweisen.

Claims (11)

1. Flachflammenbrenner für Gas und/oder Heizöl,
mit einem sich progressiv zu einem Ofenraum erweiternden Brennerstein (14), an dem und an der ihn umgebenden Ofenwand die sich ausbildende Flamme anliegt,
mit einer vorgeschalteten, innerhalb eines Brennerrohrs (1) angeordneten Mischzone für die Verbrennungsluft und den Brennstoff, in deren Bereich eine Verdralleinrichtung vor­ gesehen ist,
sowie mit einem im Brennerstein (14) ausgebildeten Brennraum (8), in dessen der Brennerachse (A) nahen Abschnitt Abgas aus dem Ofenraum einströmt und sich dort mit dem Flammgas mischt,
gekennzeichnet durch eine Vorbrennkammer (7) im Bereich der Mischzone, in der das Gemisch aus Verbrennungsluft und Brenn­ stoff zündet und teilweise verbrennt.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Brennraum (8) und der Vorbrennkammer (7) eine Trennscheibe (4) angeordnet ist.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennscheibe (4) in einem Abstand von 10-35 mm strom­ ab der als Drallscheibe (2) ausgebildeten Verdralleinrichtung angeordnet ist.

4. Brenner nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennscheibe (4) mit dem freien Ende eines Düsenstocks (3), aus dessen Austrittsdüsen (5) Brennstoff in die Vorbrenn­ kammer (7) einströmt, verbunden ist.

5. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennscheibe (4) auf den Düsenstock (3) aufgesteckt ist.

6. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennscheibe (4) einstückig mit dem Düsenstock (3) ausgebildet ist.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Durchmesser der Trennscheibe (4) das 0,6- 0,85fache des Innendurchmessers des Brennerrohrs (1) beträgt.

8. Brenner nach einem der Ansprüche 2-7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Trennscheibe (4) kegelstumpfförmig ist, wobei ihre größere Stirnfläche zum Brennraum (8) hin orien­ tiert ist.

9. Brenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die größere Stirnfläche der Trennscheibe (4) eine scharfe Umfangskante (12) aufweist.

10. Brenner nach einem der Ansprüche 2-9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Trennscheibe (4) zur Aufnahme von Elektro­ den (13) seitliche Ausnehmungen (11) aufweist.

11. Brenner nach einem der Ansprüche 2-10, dadurch ge­ kennzeichnet daß die Vorbrennkammer (7) aus der Drall­ scheibe (2), dem Düsenstock (3), dem Brennerrohr (1) und der Trennscheibe (4) gebildet ist.