DE4035502A1 - Brennerkopf fuer gasbrenner - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennerkopf für Gasbrenner mit einer Anzahl Gasauslaßdüsen zur Temperaturbehandlung von Profilen, insbesondere zur Temperaturbehandlung von langgestreckten Profilen, bei der eine Relativbewegung zwischen diesen und dem Brennerkopf stattfindet.

Gasbrenner der gattungsgemäßen Art sind seit langem im Einsatz, mit den entsprechenden Gasen, z. B. Wasserstoff und Sauerstoff, gespeist, können hohe Betriebstemperaturen für die Behandlung des jeweiligen Gutes erreicht werden. In Abhängigkeit von der äußeren Form oder den äußeren Abmessungen der zu behandelnden Profile weisen die jeweiligen Brennertypen unterschiedliche Formen und Abmessungen auf, so können die Brenner als sogenannte Halbschalenringbrenner ausgeführt sein, es können aber auch Vollringbrenner mit oder ohne radialen Schutzschleier sowie sogenannte Freistrahlbrenner sein, bei denen der Sauerstoff mit hoher Geschwindigkeit aus den einzelnen Düsen der Brennerköpfe austritt. Dabei können die Brennerköpfe, aber auch die Düsen, jeweils drehbar, schwenkbar und in ihren Abständen zueinander veränderbar sein. Letztere Möglichkeit liefert auch ein bekannter Gasbrenner (DE-PS 34 00 710), der insbesondere zum Beheizen von Glasrohren bei der Herstellung von Vorformen für optische Glasfasern dient. Die bei diesem bekannten Brenner vorgesehene Verschiebung der einzelnen Brennerköpfe relativ zueinander sowie die Ausrichtung auf die Drehachse des zu behandelnden Glaskörpers sollen die Möglichkeit geben, breite oder schmale Heizzonen vorzusehen, um den Anforderungen der Glasfaserherstellungstechnik zu genügen.

Nachteilig bei diesem bekannten Brenner aber auch bei allen vorerwähnten ist, daß durch den mit der Konstruktion der bekannten Brennertypen vorgegebenen Öffnungswinkel eine enge Begrenzung und eine scharfe Berandung der Heizzonen nicht möglich sind. Auf enge Temperaturgrenzen kommt es aber an, wenn z. B. Bereiche eines Metallbandes kontinuierlich während einer Temperaturbehandlung einem Glühprozeß unterworfen werden sollen, oder wie zu dem genannten Patent bereits angedeutet, für die jeweiligen Verfahrensschritte bei der Glasfaserherstellung breite oder schmale Heizzonen erforderlich sind.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu finden, bei einem Brennerkopf der gattungsgemäßen Art bestimmte, dem jeweiligen Verwendungszweck des Gasbrenners angepaßte Temperaturprofile zu gewährleisten.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung bei einem Brennerkopf für Gasbrenner dadurch, daß die Gasauslaßdüsen in einer allen Düsen gemeinsamen Ebene enden, in der durch die räumliche Zuordnung der Düsenauslässe zueinander von diesen ein rechteckförmiges Flächenstück der Ebene erfaßt wird. Mit einem so ausgebildeten Brennerkopf können bisher übliche Warmbehandlungsverfahren optimiert werden, wobei durch die mit der Erfindung erreichte Minimierung des Öffnungsdurchmessers der Düsen der Gasdurchsatz für den Betrieb des Brenners reduziert werden kann. Das ist interessant insbesondere für alle die Vorgänge, wo bei der Temperaturbehandlung von langgestreckten Profilen mit langen Betriebszeiten gerechnet werden muß. Das gilt insbesondere auch für die Herstellung von Glasfasern aus sogenannten Vorformen, bei der das Kernglasmaterial durch chemische Niederschlagung aus der Gasphase auf der Innenwand eines Glasrohres aufgebracht, das innenbeschichte Glasrohr durch Temperaturbehandlung zum Kollabieren gebracht und die so hergestellte Vorform schließlich zur Glasfaser ausgezogen wird.

Will man in einem solchen Fall z. B. die Qualität der Vorform verbessern und die Fertigungsgeschwindigkeit erhöhen, kann man entsprechend einem früheren Vorschlag die Temperaturbehandlung zum Kollabieren längs des Glasrohres entsprechend einem Temperaturprofil vornehmen, das durch einen längs des behandelten Glasrohrabschnittes oberen Bereich maximaler Glastemperatur und einem Bereich Glaserweichungstemperatur bestimmt ist, wobei der Bereich maximaler Glastemperatur ein weitgehend gleichmäßiges Temperaturniveau aufweist mit einer Breite längs des Glasrohrabschnittes, die der Breite des Bereiches Glaserweichungstemperatur angenähert ist. Für diesen Anwendungsbereich liefert der gemäß der Erfindung ausgebildete Brenner optimale Voraussetzungen, da die für das sogenannte Brennerprofil wesentliche Plateauhöhe, die Plateaubreite sowie die Stabilitätsweite in engen Temperaturgrenzen einstellbar ist.

In Durchführung der Erfindung hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Gasauslaßdüsen für die Mischungskomponenten unterschiedliche geometrische Formen und/oder Abmessungen mindestens im Gasauslaßbereich aufweisen. Hierdurch ist es möglich, eine einwandfreie Einmischung oder Durchmischung der Gaskomponenten, wie z. B. Wasserstoff und Sauerstoff, durchzuführen und so optimale Betriebsbedingungen zu schaffen. Das gilt insbesondere dann, wenn als äußere Längsbegrenzung des Flächenstückes Gasauslaßdüsen in Form von Schlitzen für die eine Mischungskomponente dienen, zwischen denen Bohrungen als Gasauslaßdüsen für die zweite Mischungskomponente angeordnet sind. Tritt etwa durch die schlitzförmige Düse der Wasserstoff aus dem Brennerkopf aus und durch die Bohrungen zwischen den beiden Schlitzen der Sauerstoff, dann sind, bedingt durch die höhere Dichte und den gewählten hohen Impulsstrom des Sauerstoffes dessen Einzelstrahlen dominant beim Mischvorgang zwischen den beiden Komponenten, bei dem der Wasserstoff eingemischt wird und das zündfähige Gemisch bildet.

Sind, wie nach einem weiteren Erfindungsgedanken vorgesehen, die Bohrungen im Grundkörper als Gasauslaßdüsen für die eine Komponente in Reihen parallel zu den seitlichen Schlitzen für die andere Mischungskomponente angeordnet, dann kann man vorteilhaft die Teilung der Bohrungen in Längsrichtung unterschiedlich wählen. Auf diese Weise ist es möglich, entsprechend den Erfordernissen bezogen auf das jeweils zu behandelnde Profil sowie den vorliegenden Abstand zwischen Brenner und Produkt die jeweils günstigste Brennweite einzustellen. So läßt sich eine Temperaturkonstanz über die gesamte Plateaubreite des Temperaturprofils sicherstellen. Beispielsweise kann man zu diesem Zweck die Abstände zwischen jeweils zwei Bohrungen von der Mitte der Längsschlitze aus gesehen zunächst zu- und zum Ende der Längsschlitze hin wieder abnehmen lassen.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dann, wenn der Brennerkopf aus einem Grundkörper mit Bohrungen als Gasauslaßdüsen und zwei gesonderten Seitenteilen besteht, die mit dem Grundkörper zusammenfügbar sind und im zusammengefügten Zustand zwischen sich und den korrespondierenden Flächen des Grundkörpers die schlitzförmigen Gasauslaßdüsen einschließen. Diese Konstruktion bedingt, daß der Öffnungswinkel der Flamme in beiden Richtungen sehr gering und damit die Flammenhüllfläche sehr scharf ist. Auf diese Weise sind hohe Temperaturgradienten zu erreichen, die insbesondere bei den angesprochenen rechteckförmigen Temperaturprofilen bei der Herstellung von Glasfasern zur Übertragung optischer Signale gefordert werden.

Der Grundkörper und die Seitenteile sind vorteilhaft miteinander verschweißt, so daß ein einheitlicher Brennerkopf entsteht. Durch die Mehrteiligkeit des Brennerkopfes ist eine hohe Präzision bei der Herstellung der Bohrungen, der Schlitze sowie der Zuführungskanäle möglich, so daß optimale Voraussetzungen für einen guten Gasdurchsatz geschaffen werden.

In Weiterführung der Erfindung wird man den Grundkörper zweckmäßig als im Querschnitt T-förmiges Profil ausbilden, in dessen beiderseitige Ausnehmungen die als Platten ausgebildeten Seitenteile zur Vervollständigung eines im Querschnitt rechteckförmigen Brennerkopfes integrierbar sind. In dem breiten Teil des Grundkörpers sind dabei die Zuführungsbohrungen für die beiden Gaskomponenten vorgesehen, während im schmalen Teil des T-förmigen Profiles die Bohrungen für den Durchtritt des Sauerstoffes angeordnet sind.

Die an der der Düsenaustrittsfläche gegenüberliegenden Seite des Brennerkopfes angeordneten Zuführungen für die Mischungskomponenten enden in gegenüber den Abmessungen der Schlitze sowie der Bohrungen großvolumigen Kammern, von denen aus die Bohrungen und Schlitze nach außen führen. Die Großvolumigkeit der Zufuhr- und Verteilerkanäle für die beiden Komponenten, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff, wurden deshalb möglichst großvolumig und mit definierten Engstellen ausgeführt, um einen geringen Druckverlust in den Verteilkanälen und einen großen Druckverlust in den Verengungen einzustellen, und um damit für alle Bohrungen bzw. den gesamten Schlitz gleichmäßige Druckverluste und Ausströmverhältnisse sicherzustellen. Die Qualität der gezündeten Flamme kann damit weiter verbessert werden.

Die Ausbildung des erfindungsgemäßen Brennerkopfes als im Querschnitt T-förmiges Profil mit integrierbaren Seitenteilen hat den weiteren Vorteil, daß die Bohrungen für den Sauerstoff sehr gut fluchtend hergestellt und mit hoher Oberflächengüte und ohne Abrißkanten gefertigt werden können. Damit ist ein hoher Impulsstrom des Sauerstoffes möglich, dessen Einzelstrahlen maßgeblich an dem Mischvorgang zwischen Wasserstoff und Sauerstoff beteiligt sind. In diesem Zusammenhang hat es sich auch als zweckmäßig erwiesen, wenn die Austrittquerschnitte für den Wasserstoff und den Sauerstoff so gewählt sind, daß ein Geschwindigkeitsverhältnis

H₂/O₂= 1/3

erreicht ist.

Wesentlich für den erfindungsgemäßen Brennerkopf ist auch, daß durch den mechanischen Aufbau Mittel vorgesehen werden können, die Strömung der Gaskomponenten bis zu den Austritts- oder Auslaßdüsen zu steuern, um so die Flammenqualität zu optimieren. Ein weiterer Schritt ist der, daß in Weiterführung des Erfindungsgedankens die als Platten ausgebildeten Seitenteile einen längsverlaufenden Steg aufweisen, der durch Zusammenfügen des jeweiligen Seitenteiles mit dem Grundkörper eine obere und eine untere Kammer für die eine Mischungskomponente bildet, wobei die räumliche Verbindung zwischen den beiden Kammern durch einen zwischen Steg und Grundkörper verbleibenden längs verlaufenden Schlitz erfolgt. Dabei ist die Außenkante des Austrittsquerschnittes zweckmäßig mit einer auf die Flammenachse gerichteten konischen Fläche versehen. Auf diese Weise ist es möglich, dem hier strömenden Gas vor dem Austritt aus der eigentlichen Düse eine zusätzliche, auf die Flammenachse gerichtete Geschwindigkeitskomponente zu verleihen.

Wie ausgeführt, ist der erfindungsgemäße Brenner für die unterschiedlichsten technischen Gebiete einsetzbar, sinnvoll aber vor allem dort, wo es darauf ankommt, die Temperaturbehandlung mittels einer deutlich in ihren äußeren Abmessungen festgelegten Brennerflamme vorzunehmen. Ein spezielles Anwendungsgebiet dabei ist die Herstellung einer Vorform für Glasfaserlichtwellenleitern, und hierbei insbesondere die Temperaturbehandlung, wie sie in einer älteren Anmeldung P 40 20 101.5 beschrieben ist. Es hat sich nämlich gezeigt, daß zur Verringerung der Kollabierzeit und zur Verbesserung der Produktqualität ein möglichst rechteckförmiges Temperaturprofil benötigt wird. Hierzu schafft der erfindungsgemäße Brenner die besten Voraussetzungen. So ergibt sich eine wesentliche Zeitersparnis beim Einsatz erfindungsgemäßer Brennerköpfe gegenüber bekannten Anordnungen. Das gilt insbesondere für solche Fertigungsprozesse, bei denen große Längen ohne Unterbrechung gefahren werden. Aber auch der Durchsatz an Verbrennungsgasen wird erheblich verringert, ohne daß dies zu einer Verlängerung der Kollabierzeit führt. Darüber hinaus ergibt die Kollabierzeit Reserve aufgrund des Profilvergleiches eine Zeitersparnis, so daß der Energieverbrauch ebenfalls vermindert wird.

Was die Einstellzeit des Brenners betrifft, kann diese gegenüber allen bekannten Brennertypen wesentlich vermindert werden, abgesehen davon, daß die spezielle Anordnung der Austrittsdüsen für die Mischungskomponenten zu einem minimalen Abbrand an den Düsen führt.

Die Erfindung sei anhand der in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Brennerkopf 1 in perspektivischer Ansicht, der beispielsweise mit Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) betrieben wird. Als Gasauslaßdüsen für den Wasserstoff sind die längs verlaufenden Schlitze 2 vorgesehen, während der Sauerstoff durch die zwischen den Schlitzen in Längsrichtung hintereinander angeordneten Bohrungen 3 austritt. Der Wasserstoff wird in den Sauerstoff eingemischt, so daß oberhalb der allen Düsen gemeinsamen Ebene 4 das zündfähige Gasgemisch entsteht. Durch die Anordnung der Düsen 2 und 3 entsteht ein rechteckförmiges Flammenprofil mit engen Temperaturgrenzen.

Die Fig. 2, ebenfalls in perspektivischer Ansicht, zeigt den im Querschnitt T-förmigen Grundkörper S des Brennerkopfes 1 mit den an der oberen Begrenzungsfläche vorgesehenen Bohrungen 3 für den Durchtritt des Sauerstoffes. Vervollständigt zum im Querschnitt rechteckförmigen Brennerprofil wird das dargestellte T-Profil durch je zwei plattenförmige Seitenteile 6, die mit dem T-förmigen Profil S an den Seitenkanten verschweißt werden. Ein mittlerer Steg 7 an den Innenflächen der Seitenelemente 6 reicht nach dem Zusammenfügen des T-förmigen Grundkörpers S und der Seitenelemente 6 nicht bis an die Seitenfläche 8 des T-förmigen Grundkörpers heran, so daß im Bereich des Steges 7 ein längs verlaufender enger Spalt gebildet wird, der auf das durchströmende Wasserstoffgas eine Düsenwirkung ausübt und das Gas zum Schlitz 2 zu zusätzlich beschleunigt. Die vor und hinter dem Steg 7 gebildeten Verteilkammern bewirken in Verbindung mit dem durch den Steg 7 induzierten Druckverlust eine optimale Querverteilung der Gasströmung. Auf der der Fläche 4 abgekehrten Seite 9 des im Querschnitt T-förmigen Grundkörpers sind die Gaszuführungen in Form von Bohrungen vorgesehen, wobei durch die dargestellte Bohrung 10 Wasserstoff durchtritt und durch die nach beiden Seiten offene Kammer 11 im zusammengebauten Zustand vom Grundkörper 1 und Seitenplatten 6 zu den Stegen 7 gelangt.

Die Anordnung der Bohrungen und Kammern im Grundkörper 1 verdeutlicht in einem Schnitt die Fig. 3. Wie bereits anhand der Fig. 2 beschrieben, endet die Bohrung 10 für die Wasserstoffzufuhr in der Kammer 11. Die zweite Bohrung 12 dient der Zuführung des Sauerstoffes, dieser gelangt in die Kammer 13, die in einer zur Kammer 11 versetzten Ebene angeordnet ist und an der sich die Bohrungen 3 anschließen, durch die der Sauerstoff zu der ebenen Fläche 4 gelangt und die gleichzeitig Düsenfunktion ausüben. Wie bereits angedeutet, sind die Zufuhr- und Verteilungsbohrungen für die Gaskomponenten sowie die Kammern großvolumig ausgeführt, um einen möglichst geringen und für alle Bohrungen 3 bzw. die Schlitze 2 gleichmäßigen Druckverlust zu erzeugen.

Die Fig. 4 zeigt noch einmal eine in den Grundkörper 1 integrierbare Seitenplatte 6 im Querschnitt mit einem mittleren Steg 7 zur Beschleunigung des in Pfeilrichtung strömenden Wasserstoffgases sowie einer zur Oberkante der Seitenplatte schräg zulaufenden Begrenzungsfläche 14.

Um eine konstante Betriebstemperatur über die gesamte durch den rechteckförmigen Brennerkopf erzeugte Plateaubreite sicherzustellen, sind die Bohrungen 3 in Durchführung der Erfindung nicht in gleichmäßigen Abständen voneinander angeordnet. Wie die Fig. 5 und 6 in zwei möglichen Varianten erkennen lassen, werden vielmehr die Abstände von innen nach außen gehend zunächst vergrößert, um dann an den Kanten wieder kleinere Werte anzunehmen. So zeigt die Fig. 5 die obere ebene Fläche eines Brennerkopfes nach der Erfindung, bei dem die Bohrungen 3 mit einem Bohrungsdurchmesser von z. B. 1,0 mm in zwei Reihen angeordnet sind, wobei der Reihenabstand 5 mm betragen soll. Wesentlich hier ist, daß zur Erzielung einer konstanten Betriebstemperatur über den ganzen Flächenbereich die Abstände jeweils zweier in einer Reihe befindlicher Bohrungen 3,3 mm beträgt und dann auf jeweils 4,5 mm zu den Außenkanten 15 hin ansteigt. Der Abstand zwischen der letzten Bohrung 3 und der Außenkante 15 beträgt dann nur noch 2 mm.

Eine andere Möglichkeit zeigt die Fig. 6, bei der z. B. Bohrungen 3 mit einem Durchmesser von 1,04 mm in dem Grundkörper angeordnet sind, die in der ebenen Fläche 4 gut fluchtend und ohne Abrißkanten enden. Der Abstand der Bohrungen 3 in den beiden Reihen beginnt zunächst mit 3 mm und steigt dann zu den Außenkanten 15 hin auf 4 mm an, während der Abstand der jeweils letzten Bohrung zur Außenkante 15 nur 3 mm beträgt.

Claims (12)

1. Brennerkopf für Gasbrenner mit einer Anzahl Gasauslaßdüsen zur Temperaturbehandlung von Profilen, insbesondere zur Temperaturbehandlung von langgestreckten Profilen, bei der eine Relativbewegung zwischen diesen und dem Brennerkopf stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasauslaßdüsen in einer allen Düsen gemeinsamen Ebene enden, in der durch die räumliche Zuordnung der Düsenauslässe zueinander von diesen ein rechteckförmiges Flächenstück der Ebene erfaßt wird.

2. Brennerkopf nach Anspruch 1, der von einem Gasgemisch gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasauslaßdüsen für die Mischungskomponenten unterschiedliche geometrische Formen und/oder Abmessungen mindestens im Gasauslaßbereich aufweisen.

3. Brennerkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als, äußere Längsbegrenzung des Flächenstückes Gasauslaßdüsen in Form von Schlitzen für die eine Mischungskomponente dienen, zwischen denen Bohrungen als Gasauslaßdüsen für die zweite Mischungskomponente angeordnet sind.

4. Brennerkopf nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch einen Grundkörper mit Bohrungen als Gasauslaßdüsen und zwei gesonderten Seitenteilen, die mit dem Grundkörper im zusammengefügten Zustand zwischen sich und der korrespondierenden Fläche des Grundkörpers die schlitzförmigen Gasauslaßdüsen einschließen.

5. Brennerkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Grundkörper und Seitenteile miteinander verschweißt sind.

6. Brennerkopf nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen in Reihen parallel zu den seitlichen Schlitzen angeordnet sind.

7. Brennerkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung der Bohrungen in Längsrichtung unterschiedlich ist.

8. Brennerkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen je zwei Bohrungen von der Mitte der Längsschlitze aus gesehen zunächst zu- und zum Ende der Längsschlitze hin wieder abnehmen.

9. Brennerkopf nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper ein im Querschnitt T-förmiges Profil aufweist, in dessen beiderseitige Ausnehmungen die als Platten ausgebildeten Seitenteile zur Vervollständigung eines im Querschnitt rechteckförmigen Brennerkopfes integrierbar sind.

10. Brennerkopf nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die an der der Düsenaustrittsfläche gegenüberliegenden Seite des Brennerkopfes angeordneten Zuführungen für die Mischungskomponenten in gegenüber den Abmessungen der Schlitze und Bohrungen großvolumigen Kammern enden, von denen aus die Bohrungen und Schlitze weiterführen.

11. Brennerkopf nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die als Platten ausgebildeten Seitenteile einen längs verlaufenden Steg aufweisen, der durch Zusammenfügen des jeweiligen Seitenteiles mit dem Grundkörper eine obere und eine untere Kammer für die eine Mischungskomponente bildet, wobei die räumliche Verbindung zwischen den beiden Kammern durch einen zwischen Steg und Grundkörper verbleibenden längsverlaufenden Schlitz erfolgt.

12. Brennerkopf nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsquerschnitte der Düsen für den Wasserstoff und den Sauerstoff so gewählt sind, daß sich ein Geschwindgkeitsverhältnis H₂/O₂= 1/3 ergibt.