DE4118864A1 - Verfahren und vorrichtung zum verbrennen gasfoermigen oder fluessigen brennstoffs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbrennen gasförmigen oder flüssigen Brennstoffs bei einem Brenner der Blaubrenner-Bauart mit den Merkmalen des Oberbe­ griffs des Anspruchs 1.

Brenner dieser Bauart sind beispielsweise bekannt aus der DE-PS 38 01 681 und der DE-PS 38 01 679. Beide Druckschriften befassen sich zwar mit der besonderen Ausbildung der Blende zur Vermeidung von Geräuschen, lassen jedoch erkennen, daß es zur Verbrennung mit blauer Flamme darauf ankommt, eine sehr gute Mischung aus Brennstoffnebel und Luft zu erreichen.

In der Praxis erfolgt die Einstellung des Brenners werksseitig, vor allem wird die Menge an unter Druck zugeführter Luft fest eingestellt, wobei diese Menge nachträglich nicht korrigierbar ist. Jedoch hängt die optimale Mischung eines zündfähigen Gemisches von Luftmenge und -geschwindigkeit ab sowie von der Dichte des durch die Düse erzeugten Ölnebels.

In der Praxis ergeben sich daher zahlreiche Schwierigkeiten, die die optimale Verbrennung beeinträchtigen. Zum einen ist davon auszugehen, daß der Brenner nicht ständig in Betrieb ist, sondern thermostatgesteuert nach einer bestimmten Brenndauer abschaltet und nach einer bestimmten Pause wieder einschaltet. Aus Sicherheitsgründen muß dabei zum einen zunächst eine gewisse Luftmenge durch das Brennergehäuse getrieben werden, um zur Vermeidung einer Explosionsgefahr Rückstände aus dem Kesselraum zu entfernen. Andererseits darf die Zündeinrichtung nur über eine bestimmte Zeitdauer in Betrieb sein, selbst wenn keine Flamme entsteht. Dies wird mittels einer sogenannten Zündüberwachungseinrichtung festgestellt. Stellt diese Zünd­ überwachungseinrichtung nach einer bestimmten Zeit, in der Praxis etwa 10 sec, keine Flamme fest, so wird die Zündein­ richtung außer Betrieb gesetzt und eine Störung angezeigt. Der Zündbetätigungsvorgang muß daher mehrfach wiederholt werden, was aus Kostengründen unerwünscht ist.

Dieser Zustand kann abhängig von Umgebungsbedingungen bei jedem neuen Inbetriebsetzen des Brenners nach einer thermostatgesteu­ erten oder auch saisonalbedingten Ruhepause auftreten.

Darüber hinaus kann die Fortdauer der blauen Flamme über längere Betriebszeiträume nicht stets gewährleistet werden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die für die blaue Flamme erforderliche gute Rezirkulation der Luft in das Mischrohr nicht in dem werksseitig eingestellten Zustand gewährleistet werden kann. Dies ist darauf zurückzuführen, daß aufgrund der Strömungen, die sich in dem Mischrohr und außerhalb des Misch­ rohres entwickeln, Verformungen des Mischrohres auftreten können, die bewirken, daß in einzelnen Teilbereichen die optimale Mischung nicht mehr sichergestellt ist, was sich in einer Gelbfärbung der Flamme niederschlägt. Die Verformung des Rohrs beeinflußt im übrigen auch bei jedem Start des Brenners die Entstehung des notwendigen Zündgemisches nachteilig.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, das eingangs genannte Verfahren beim Starten und/oder die für den Betrieb des Brenners erforderliche Vorrichtung so auszugestalten, daß ein optimaler Betrieb sicher gewährleistet wird.

Die Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß nach der Zündbetätigung und erfolgtem Betrieb des Lüfters dessen Antriebs-Motor für eine vorgegebene kurze Zeitspanne wieder stillgesetzt wird, ohne die Zündein­ richtung abzuschalten.

Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Mischrohr Bördelungen aufweist.

Vorzugsweise werden beide Maßnahmen gleichzeitig durchgeführt.

Die Erfindung wird durch die Merkmale der Unteransprüche weitergebildet.

Bei dem Verfahren ist das Wesentliche daran zu sehen, daß während der vorgeschriebenen Sicherheitszeit sicher ein zündfähiges Luft/Brennstoffgemisch erzielt wird, weil während dieser Zeit die Luftmenge vor Ort, d. h. in der Mischkammer verändert wird, ohne daß die für den Dauerbetrieb erforderliche Zusammensetzung des Gemisches geändert würde. Durch das Stillsetzen des Lüfter-Motors wird nämlich eine Drosselung erreicht, d. h. die Luftmenge nimmt nach Ausschalten des Motors des Lüfters durch dessen Nachlaufen ab, bis der Motor wieder in Betrieb gesetzt wird. Zweckmäßig erfolgt dies mittels eines entsprechend geschalteten Zeitrelais. Ein solches Zeitrelais ist auch in einfacher Weise bei bestehenden Brennern nachrüstbar.

Die Bördelungen erreichen eine Formbeständigkeit, wobei darüber hinaus die für die Rezirkulationsströmung erforderlichen Öffnungen in diesen Bördelungen vorgesehen sein können, und zwar sogar unter einem strömungstechnisch optimierten Winkel. Somit erfolgt die Rückführung der Gase für die Rezirkulations­ strömung unter definierten stets gleichen Bedingungen, so daß der Wirkungsgrad der Verbrennung nicht nur über längere Betriebszeiträume konstant gehalten ist, sondern auch verbessert werden kann.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert: Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Längsschnitt-Teilansicht eines Brenners,

Fig. 2 die Einzelheit II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Teil der Steuerung des Brenners nach Fig. 1,

Fig. 4 die zeitlichen Zusammenhänge zur Erläuterung der Erfindung.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner für gasförmigen oder flüssigen Brennstoff, insbesondere einen sogenannten Blaubrenner, also einen Brenner bei dem Öl mit blauer Flamme vollständig verbrannt wird.

Der in Fig. 1 dargestellte Brenner umfaßt ein im wesentlichen zylindrisches Brennergehäuse 1, das durch eine nicht darge­ stellte Öffnungen aufweisende Blende 2 als Wand in eine stromauf gelegene Vorkammer 3 und in eine stromabgelegene Brennkammer 4 unterteilt wird. Die Blende 2 weist zumindest einen zentralen Durchlaß auf und trägt eine Stützeinrichtung 5, in die eine Düse 6 eingesetzt ist, die mit einer Brennstoff­ zufuhrleitung 7 verbunden ist. Die Längsachse der Düse 6 fällt mit der Längsachse des Brennergehäuses 1 zusammen.

Stromab der Blende 2 schließt sich an diese ein zylindrisches Mischrohr 8 an, das über Umfangsschlitze 9 und/oder Öffnungen 10 im Anschluß an die Blende 2 eine Verbindung zwischen seinem den Mischraum bildenden Innenraum 11 und einem als Rezirkula­ tionsraum dienenden Ringraum 12 bildet, der das Mischrohr 8 konzentrisch umgibt.

Eine Zündeinrichtung 13 üblicher Bauart ist von der Vorkammer 3 durch die Blende 2 hindurchgeführt und endet beim Ausführungs­ beispiel am vorderen Ende 14 des Mischrohrs 8, so daß in diesem Bereich eine Zündung erfolgen kann. Nicht dargestellte weitere Öffnungen umgeben die mittige Öffnung der Blende, damit ein Luftstrom aus der Vorkammer 3 in den Innenraum 11 eintreten kann.

Im Betrieb strömt durch die Düse 6 Brennstoff, beispielsweise Gas oder Öl, in den Innenraum 11. Die Düse 6 kann bei der Verwendung von Öl als Zerstäuberdüse ausgebildet sein zur Erzeugung eines Ölnebels. Durch die Öffnungen in der Blende 2 wird ferner mit Hilfe eines in Fig. 1 nicht dargestellten Lüfters zwangsweise Verbrennungsluft in den Innenraum 11 des Mischrohrs 8 eingeleitet, so daß sich Brennstoff und Verbren­ nungsluft in dem Innenraum 11 innig vermischen. Im Mischrohr 8 wird dieses Gemisch gezündet und brennt in einer Flammenfront, die entsprechend der jeweiligen Strömungsgeschwindigkeit etwa im Bereich des auslaßseitigen Endes des Mischrohres 8 lokalisiert ist.

In der Blende 2 ist ferner eine Halterung 15 für eine Zündüber­ wachungseinrichtung (nicht im einzelnen dargestellt) vorgesehen.

Zur Verbesserung der Formstabilität des Mischrohres 8 auch bei den termischen und strömungsdynamischen Belastungen weist das Mischrohr 8 umfangsseitige Bördelungen 16 und 17 auf, die vorzugsweise an den Enden des Mischrohrs 8, beispielsweise am Vorderende 14, vorgesehen sind. Die Öffnungen 10 für die Rezirkulationsluft sind dabei vorzugsweise in einer der Bördelungen, hier der Bördelung 17, vorgesehen.

Wie in Fig. 2 dargestellt, weisen die Öffnungen 10 einen bestimmten Winkel α gegenüber der Achse des Mischrohrs 8 auf. Dieser Winkel α beträgt vorzugsweise 30 bis 45°. Damit werden die zwecks Rezirkulation rückgeführten Gase optimal der Verbrennung im Mischrohr 8 zugeführt. Die Rückführung der Gase erfolgt wegen der Formstabilität des Mischrohrs 8 und der Orientierung der Öffnungen 10 unter definierten gleichbleibenden Bedingungen, wodurch der Wirkungsgrad der Verbrennung gegenüber herkömmlichen Brenneranordnungen erhöht wird und über lange Zeiträume gleichbleibend ist. Die Verbrennung wird über lange Zeiträume gleichförmig, so daß auch der Schadstoffausstoß gering ist und bleibt. Die Anzahl der Öffnungen 10 und deren Durchmesser ist dabei in bekannter Weise an die Brenner-Leistung anzupassen und entsprechend festzulegen.

Es ist zu erwähnen, daß mehr Bördelungen 16, 17 vorgesehen sein können und daß auf Blendenkonstruktionen zurückgegriffen werden kann, wie sie in den beiden eingangs genannten Druckschriften erläutert sind.

Wesentlich bei diesen sogenannten Blaubrennern ist, daß der Verbrennungsablauf nicht im Feuerraum des Kessels sondern in dem in den Kesselraum mündenden Brennergehäuse 1, nämlich an dem Mischrohr 8 erfolgt. Durch die rezirkulierenden heißen Gase erfolgt eine zusätzliche Vergasung mit kontrollierter Verbrennungsführung. Zur Vermeidung von Rußbildung und der damit verbundenen Wirksgradminderungen und zur Verringerung des Schadstoffausstoßes ist die kontrollierte Verbrennung erwünscht. Dies wird dadurch erreicht, daß die einzelnen Teilprozesse wie Zerstäubung, Gemischbildung, Verdampfung bzw. Vergasung und Verbrennung sowohl zeitlich als auch räumlich aufeinander abgestimmt erfolgen. Diese Abstimmung erfordert bei der Installation eine Feinregulierung des Düsenabstandes, ggf. auch der Ölzufuhr entsprechend der geforderten Kesselleistung. Aus diesem Grund erfolgt die Einstellung von Brenner und Düse werksseitig, allerdings jeweils auf den maximalen Heizleistungswert. Ist dieser zu ändern, müßte auch die Voreinstellung geändert werden. Eine solche Feinregulierung kann durch Veränderung des Querschnitts der Blende für die Luftzufuhrmenge oder durch Regulierung des entsprechenden Öldruckes in der Ölzufuhr zur Düse erfolgen.

Im Verlauf des Betriebes werden Brennergehäuse und das Mischsystem in diesem wechselnden Temperaturen unterworfen, die sich bereits bei Stillstandszeiten von nur wenigen Stunden so auswirken, daß bei einem Wiederstart, bei dem es sich dann um einen Kaltstart handelt, die erforderliche Gemischaufbereitung nicht mehr optimal gesteuert wird. Erfolgt jedoch die Zündung der Flamme nach einer bestimmten Zeit nicht, so wird der Brenner automatisch mit Hilfe der Zünd- bzw. Flammenüber­ wachungseinrichtung in der Halterung 15 abeschaltet und wird eine Störung angezeigt. Die Folge sind Zeit- und Lohnkosten verursachende Monteuereinsätze sowie als Folge Produktions­ unterbrechungen und Betriebsstörungen.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit Hilfe der in Fig. 3 dargestellten Schaltungsanordnung, die einen Teil der gesamten Steuerung des Brenners beinhaltet, gelöst.

Fig. 3 zeigt den Motor 21 mit dazugehörigem Lüfter 22, mittels dem die zwangsweise Luftzufuhr über den Vorraum 3 und die Blende 2 zum Mischrohr 8 erfolgt. Ferner zeigt Fig. 3 ein Magnetventil 23 in der Ölzufuhrleitung 7 und deren Erregerspule 24. Durch die im einzelnen nicht dargestellte und handelsübliche Steuerung 25 wird bei Auslösen eines Zündvorganges, beispielsweise von Hand oder mittels eines Termostaten, zunächst der Motor 21 in Betrieb gesetzt, damit der Lüfter 22 Luft in den Kesselraum treiben kann, um Rückstände in diesem zu entfernen. Dies ist erforderlich und vorgeschrieben, um eine Explosionsgefahr herabzusetzen. Kurzzeitig danach wird die Erregerspule 24 des Magnetventils 23 erregt, damit Brennstoff zur Düse 6 gelangen kann.

Wie in Fig. 4 dargestellt, erfolgt ersteres zum Zeitpunkt t₀ und erfolgt das Öffnen des Magnetventils 23 zum Zeiptunkt t₁.

Erfindungsgemäß wird nun mit Hilfe eines Zeitrelais 26 zu diesem Zeitpunkt t₁ oder etwas kurz danach (nicht im einzelnen dargestellt) durch Öffnen des Kontaktes k1 während einer eingestellten Zeit ϑ der Motor 21 außer Betrieb gesetzt. Im allgemeinen läuft der Lüfter 22 nach, so daß, wie in Fig. 4c dargestellt, die Luftmenge absinkt, die in das Mischrohr 8 eintritt. Es erfolgt also eine Drosselung der Luftzufuhr. Nach Verstreichen der Zeit ϑ, also zum Zeitpunkt t₂, wird der Motor 21 wieder in Betrieb gesetzt und fördert der Lüfter 22 zwangsläufig wieder die volle Luftmenge, und zwar die Luftmenge, die nach der Zündung dann für die brennende Flamme optimale Gemischeinstellung ermöglicht.

Es zeigt sich, daß durch das reale Verhalten der Luftzufuhr aufgrund des langsamer laufenden bzw. wieder schneller laufen­ den Lüfters 22 nach dem Aus- und Wiedereinschalten des Motors 21, zumindest einmal zu irgendeinem Zeitpunkt ein zündfähiges Gemisch vorliegt, wobei dieser Zeitpunkt sicher innerhalb der vorgeschriebenen Sicherheitszeitdauer liegt. Dieser Sicher­ heitszeitdauer liegt in der Größenordnung von etwa 10 sec., während die hier in Rede stehenden Zeitdauern Bruchteile von Sekunden umfassen. Zweckmäßig ist das Zeitrelais 26 in seiner Zeitdauer ϑ einstellbar, um den örtlichen Gegebenheiten entsprechend geringfügig unterschiedliche Zeitdauern ϑ einstellen zu können. Diese Zeitdauer ϑ wird zweckmäßig dann blockiert und verriegelt.

Mit der derart gedrosselten Luftzufuhr kann sich die Brennstoffzerstäubung beim Kaltstart innerhalb von Bruchteilen von Sekunden entwickeln, so daß die Verbrennung des optimal aufbereiteten zündfähigen Gemisches noch innerhalb der Sicherheitszeit bis zum Ansprechen der Zündüberwachungsein­ richtung einsetzt.

Vorteilhaft dabei ist, daß das Zeitrelais 26 verhältnismäßig einfach nachgerüstet werden kann.

Wie in Fig. 1 durch Strichlinien dargestellt, kann die hier mit 13a bezeichnete Zündeinrichtung auch in dem Raum zwischen der Düse 6 und der Blende 2 vorgesehen sein, wodurch der Raum zwischen Brennergehäuse 1 und Mischrohr 8 völlig frei von Fremdeinbauten ist, wodurch die zwecks Rezirkulation rückgeführten Gase durch Fremdeinbauten nicht mehr gestört werden und damit unbeeinträchtigt wieder durch das Mischrohr 8 zirkulieren können.

Wie ebenfalls in Fig. 1 dargestellt, ist es aber auch möglich, daß die in strich-punktierten Linien angedeutete und mit 13b bezeichnete Zündeinrichtung zwischen den beiden Bördelungen 16, 17 anzuordnen und durch eine Öffnung in den Innenraum des Mischrohres hindurchzuführen.

Wenn die beiden erfindungsgemäßen Maßnahmen, nämlich einerseits die erläuterte Vorgehensweise beim Kaltstart mit Hilfe des Zeitrelais 26 und andererseits die Formstabilisierung des Mischrohres 8 mittels der Börderlungen 16 und 17 gleichzeitig durchgeführt werden, ist der Effekt doppelt. Jedoch verbessert bereits die Formstabilität auch das Verhalten des Brenners beim Kaltstart ohne Drosselung, da durch Formänderung verursachte Mängel bei dem Kaltstart vermieden sind.

Hinsichtlich des erfindungsgemäß ausgebildeten Mischrohrs 8 mit den Bördelungen 16 und 17 ist zu bemerken, daß dieses Mischrohr in aller Regel ebenfalls nachträglich anstelle eines herkömmlichen Mischrohrs nachgerüstet werden kann.

Claims (11)

1. Verfahren zum Verbrennen gasförmigen oder flüssigen Brennstoffs bei einem Brenner der Blaubrenner-Bauart, bei der in einem Brennergehäuse axial eine von einem Luftzufuhrrohr umgebene Brennstoffzufuhrleitung mit Düse zum Ausstoßen eines Brennstoffnebels, eine mit Durchtrittsöffnungen für den Brennstoffnebel und für die in diesen einzumischende Luft versehene Blende und ein Mischrohr für die intensive Mischung und Zündung des Gemisches mittels einer Zündeinrichtung vorgesehen ist und bei der ferner ein motorgetriebener Lüfter den Luftstrom sicherstellt, wobei nach Zündbetätigung die Zündeinrichtung erst auslösbar ist, wenn der Lüfter in Betrieb ist, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Zündbetätigung (t₀) und erfolgtem Betrieb des Lüfters (22) dessen Antriebs-Motor (21) für eine vorgegebene kurze Zeitspanne (ϑ) wieder stillgesetzt wird, ohne die Zündeinrichtung (13) abzuschalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lüfter (22) trotz stillgesetztem Antriebs-Motor (21) nachläuft.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer (ϑ) der Stillsetzung Bruchteile von Sekunden dauert.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stillsetzung Bruchteile von Sekunden nach der Zündbetätigung erfolgt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Zeitrelais (26) dessen Erregerkreis zum Lüfter-Motor (21) parallel ist und dessen Schaltkontakt (k1) unmittelbar nach Erregung die Stromzufuhr zum Motor (21) während der Schaltzeit (ϑ) des Zeitrelais (26) unterbricht.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und/oder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung (13a) unmittelbar nach der Düse (6) und vor der Blende (2) angeordnet ist.

7. Vorrichtung bei einem Brenner der Blaubrenner-Bauart mit dem im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Aufbau, insbesondere nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischrohr (8) Bördelungen (16, 17) insbesondere an den Rohrenden (14) aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Rezirkulations-Öffnungen (10) in zumindest einer der Bördelungen (17).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die RezirkuIations-Öffnungen (10) unter einem Winkel (α) gegen die Achse des Mischrohrs (8) geneigt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α) 30 bis 45° beträgt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung (13b) zwischen den beiden Bördelungen (16, 17) angeordnet ist.