DE4118864C2 - Verfahren zum Verbrennen eines gasförmigen oder flüssigen Brennstoffs und Brenner zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen eines gasförmigen oder flüssigen Brennstoffs unter Verwendung eines Brenners der Blaubrenner-Bauart mit den Merkmalen des Oberbe­ griffs des Patentanspruchs 1, sowie einen Brenner zur Durchführung des Verfahrens.

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 Brennstoff und Luft zu erreichen. Bei dem Brenner nach der erstgenannten Druckschrift wird außerdem die Zündzuverlässigkeit dadurch erhöht, daß man die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches in einem winkelmäßig begrenzten Querschnittsbereich nahe der Wand des Mischrohres gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit im übrigen Mischrohr-Querschnitt herabsetzt und die Zündung in dem wandnahen Querschnittsbereich niedrigerer Strömungsgeschwindigkeit vornimmt.

Aus der DE-PS 38 39 535 ist ein Heizgerät für Kraftfahrzeuge bekannt. Es ist eine Schaltvorrichtung beschrieben, die zur Flammenüberwachung in regelmäßigen zeitlichen Abständen feststellt, ob der Gebläsemotor noch die notwenige Solldrehzahl aufweist. Hierzu wird nicht nur die Spannungszufuhr kurzzeitig unterbrochen, sondern auch eine sehr komplexe Meßeinrichtung verwendet.

Aus der DE-OS 29 18 416 ist es als solches für einen Ölbrenner bekannt, die Zündeinrichtung zwischen der Düse und einer nachgeschalteten Blende vorzusehen. Die DE-OS 27 34 216 offenbart an dem einen Rückströmkanal begrenzenden Mischrohr eines Ölbrenners Umbiegungen der Rohrwand und Wulstverdickungen durch Randumbördelung als Ausbildungen, die aus strömungstechnischen Gründen zweckmäßig sind.

Allgemeine sicherheitstechnische Anforderungen an den Gasbrenner mit Gebläse und deren Prüfung und die zugrundeliegende Terminologie ergeben sich aus der DIN-Norm 4788, Teil 2.

In der Praxis erfolgt die Einstellung des Brenners nach den beiden erstgenannten Druckschriften 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. Es 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 die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art und einen Brenner zu dessen Durchführung so anzugeben, daß das Verhalten des Brenners beim Kaltstart verbessert wird.

Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art und bei dem Brenner erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 3 gelöst.

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 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. Vorrichtungsmäßig erfolgt dies mittels eines entsprechend geschalteten Zeitrelais. Ein solches Zeitrelais ist auch in einfacher Weise bei bestehenden Brennern nachrüstbar.

Die Bördelungen gemäß Patentanspruch 4 erreichen eine Formbeständigkeit des Mischrohrs, 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 des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels 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 für Motorbetrieb (a) und Luftmenge (b).

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Brenner handelt es sich um einen Brenner für gasförmigen oder flüssigen Brennstoff, insbesondere einen sogenannten Blaubrenner, also einen Brenner, bei dem Öl mit blauer Flamme vollständig verbrannt wird. Dieser 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 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 2, über die 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 14 des Mischrohres 8 lokalisiert ist.

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

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

Wie in Fig. 2 dargestellt, weisen die Öffnungen 10 einen Winkel α gegenüber der Achse des Mischrohrs 8 auf, der 30 bis 45° beträgt. Damit werden die 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 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 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 erstgenannten Druckschriften erläutert sind.

Wesentlich bei 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 Wirkungsgradminderung und zur Verringerung des Schadstoffausstoßes ist diese kontrollierte Verbrennung erwünscht, bei der 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 und 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 1 und das Mischsystem in diesem wechselnden Temperaturen unterworfen, die sich bereits bei Stillstandszeiten von nur wenigen Stunden so auswirken können, 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 Zündüber­ wachungseinrichtung in der Halterung 15 abeschaltet und wird eine Störung angezeigt. Die Folge sind Zeit- und Lohnkosten verursachende Monteureinsätze sowie als Folge Produktions­ unterbrechungen und Betriebsstörungen.

Dieses Problem wird 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 Luftzufuhr über die Vorkammer 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 Steuerung 25 wird bei Auslösen eines Zündvorganges, beispielsweise von Hand oder mittels eines Thermostaten, 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 Diagramm (a) der Fig. 4 dargestellt, erfolgt ersteres zum Zeitpunkt t₀ und erfolgt das Öffnen des Magnetventils 23 zum Zeiptunkt t₁.

Nun wird mit Hilfe eines Zeitrelais 26 zum Zeitpunkt t₁ oder kurz danach (nicht im einzelnen dargestellt) durch Öffnen des Kontaktes k1 während einer eingestellten Zeitspannung ϑ der Motor 21 außer Betrieb gesetzt. Da der Lüfter 22 nachläuft, sinkt, wie in Diagramm (b) der Fig. 4 dargestellt, die Luftmenge ab, die in das Mischrohr 8 eintritt. Es erfolgt also eine Drosselung der Luftzufuhr. Nach Verstreichen der Zeitspanne 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 die für die brennende Flamme optimale Gemischeinstellung ermöglicht.

Es zeigt sich, daß durch das reale Verhalten der Luftzufuhr aufgrund des langsamer laufenden und 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. Diese Sicher­ heitszeitdauer liegt in der Größenordnung von etwa 10 sec., während die hier in Rede stehende Zeitspanne Bruchteile von Sekunden umfaßt. Mit der am Zeitrelais 26 einstellbaren Zeitspanne ϑ lassen sich den örtlichen Gegebenheiten entsprechend geringfügig unterschiedliche Zeitdauern berücksichtigen. Diese Zeitspanne ϑ wird dann blockiert und verriegelt. Dabei kann das Zeitrelais 26 verhältnismäßig einfach nachgerüstet werden.

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.

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 rückgeführten Gase durch Fremdeinbauten nicht mehr gestört werden und damit unbeeinträchtigt 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 8 hindurchzuführen.

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

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

Claims (8)

1. Verfahren zum Verbrennen eines gasförmigen oder flüssigen Brennstoffs unter Verwendung eines Brenners der Blaubrenner-Bauart,
in dessen Brennergehäuse axial eine von einem Luftzufuhrrohr umgebene Brennstoffzufuhrleitung mit Düse, eine mit Durchtrittsöffnungen für den aus der Düse austretenden Brennstoffkegel und für die in diesen einzumischende Verbrennungsluft versehene Blende, ein Mischrohr und eine Zündeinrichtung im Bereich des Mischrohrs vorgesehen sind und dem ein motorgetriebener Lüfter für die Zufuhr der Verbrennungsluft zugeordnet ist,
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) durch eine Steuereinrichtung dessen Motor (21) ohne Abschaltung der Zündeinrichtung (13) für eine vorgebbare kurze Zeitspanne (ϑ) stillgesetzt wird, in der der Lüfter (22) nachläuft.

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

3. Brenner zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung in Form eines Zeitrelais (26), dessen Erregerkreis zum Motor (21) des Lüfters (22) parallel ist und dem ein Schaltkontakt (k1) zugeordnet ist, der unmittelbar nach Erregung der Stromzuführung zum Motor (21) während der Zeitspanne (ϑ) unterbricht.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Steuereinrichtung oder zusätzlich das Mischrohr (8) Bördelungen (16, 17), insbesondere an den Rohrenden (14), aufweist.

5. Brenner nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung (13a, 13b) unmittelbar nach der Düse (6) und vor der Blende (2) oder zwischen den beiden endseitigen Bördelungen (16, 17) angeordnet ist.

6. Brenner nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Rezirkulations-Öffnungen (10) in zumindest einer der Bördelungen (17).

7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rezirkulations-Öffnungen (10) unter einem Winkel (α) gegen die Achse des Mischrohrs (8) geneigt sind.

8. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α) 30 bis 45° beträgt.