DE4215763C2 - Brenner - Google Patents

Description

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

Bezüglich Wirkungsgrad und Schadstoffemissionen von Verbren­ nungssystemen ist es bekannt, daß die Stickstoffoxidbildung von der Flammtemperatur abhängig ist und mit Erhöhung der Flammtem­ peratur ansteigt. Andererseits wird eine erhöhte Flammtemperatur angestrebt, um eine bessere Energieausbeute des Brennstoffes zu erhalten.

Bei einem bekannten Brenner für ein Flugzeuggasturbinentriebwerk (DE-OS 30 17 034) ist, um sowohl eine niedrige Schadstoffemis­ sion mit geringen Stickstoffoxiden als auch einen erhöhten Wirkungsgrad zu erlangen, dessen Brennerkopf mit einer Auslaßan­ ordnung in Form von mehreren konzentrischen Brennstoff- und Luftauslaßdüsen ausgestattet, die radial von der Mitte des Bren­ nerkopfes ausgehend miteinander abwechseln. Je nach Zuschaltung der Brennstoffauslaßdüsen, was von den Betriebsbedingungen ab­ hängt, ergeben sich eine (für Leerlaufbetrieb) oder zwei (für Vollastbetrieb) Verbrennungszonen. Schwer verbrennbare, unver­ brannte Gasverbindungen werden bei diesem bekannten Brenner mit dessen Emissionen ausgestoßen und verringern so die Energieaus­ beute des Brennstoffes.

Ein Brenner der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art ist aus der DE 40 20 237 A1 bekannt. Dieser bekannte Brenner ist so ausgebildet, daß insbesondere der CO-Anteil der Abgase ver­ ringert wird. Dazu wird der Randzone der Brenngase im Flammrohr Verbrennungsluft zugeführt, um eine vollständigere Verbrennung des Brennstoffes und eine entsprechende Verringerung der CO- Werte zu erreichen. Durch dieses Einblasen von Zusatzluft wird zwar möglicherweise auch der Anteil der Stickoxide verringert, es wird jedoch auf jeden Fall die Verbrennungstemperatur abge­ senkt, was wie oben beschrieben mit dem Nachteil verbunden ist, daß dadurch die Energieausbeute des Brennstoffes erniedrigt wird. Die Rückführung von Brenngasen aus dem randnahen Bereich des Flammrohres über die Rezirkulationseinrichtung in ein Misch­ rohr, das die in dem Auslaßgehäuse angeordnete Kammer bildet und in das sich die Verbrennungszone nicht hinein erstreckt, führt zu einer Aufbereitung des Brennstoffs.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brenner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so auszubilden, daß eine Erhöhung der Flammtem­ peratur und der Energieausbeute des Brennstoffes bei gleichzei­ tiger Erniedrigung der Schadstoffemission erreicht wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei dem Brenner nach der Erfindung befindet sich zwischen der Auslaßanordnung und der Kammer die Gemischbildungszone, in die schwer verbrennbare, unverbrannte Gasverbindungen durch die Re­ zirkulationseinrichtung zurückgeführt werden und in der diesen Gasverbindungen stickstoffarme Luft zugeführt wird. Das entste­ hende Gemisch strömt in die benachbarte Kammer, wird darin zu­ sammen mit dem zentrisch einströmenden Brennstoff/Luft-Gemisch entzündet und sorgt damit für eine bessere Energieausbeute und für eine Erhöhung der Flammtemperatur. Die Verbrennungszone be­ ginnt dementsprechend in der Kammer im Brennerkopf. Unverbrannte Kohlenwasserstoffe treten aufgrund der hohen Flammtemperatur nicht mehr auf.

Die stickstoffarme Luft, welche aus der äußeren Luftzuführdüse austritt, wirkt gleichzeitig für den zentralen Brennstoffstrom als Schutzmantel gegenüber der umgebenden Atmosphäre. Dadurch wird gewährleistet, daß keine Außenluft, welche hauptsächlich Stickstoff enthält, in die Verbrennungszone gelangen kann.

Die Rückführung der Gasverbindungen in die Gemischbildungszone hat zur Folge, daß sich die Flammwurzel weiter in das Innere der Kammer hinein verschiebt. Mit der Verbrennung dieser Gasverbindungen steigt die Flammtemperatur stark an, wodurch sich die Flammwurzel wieder in Richtung zur Auslaßanordnung hin verschiebt. Dieser Vorgang wiederholt sich ständig, so daß die Flammwurzel mit relativ hoher Frequenz oszilliert. Das hat den Vorteil, daß die Vermischung der schwer verbrennbaren, unver­ brannten Gasverbindungen und der stickstoffarmen Luft des Schutzmantels in der Gemischbildungszone gefördert wird, was wiederum die Verbrennung der Gasverbindungen gewährleistet. Mit zunehmender Temperatur wird diese Frequenz höher.

Der Brenner gemäß der Erfindung sieht also im Gegensatz zu dem Brenner gemäß der DE 40 20 237 A1 mit der Rückführung eine Flammtemperaturerhöhung vor. Es wird nämlich kein Rauch- oder Brenngas rückgeführt, sondern es werden schwer verbrennbare, un­ verbrannte Gasverbindungen rückgeführt. Die Rückführung selbst beginnt bei dem Brenner gemäß der Erfindung radial außerhalb der Verbrennungszone in dem Austrittsraum.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Ge­ genstände der Unteransprüche.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 bildet ein gleichmäßiger Abstand zwischen dem Hohlkörper und dem Auslaßge­ häuse eine Rückführleitung für die schwer verbrennbaren, unver­ brannten Gasverbindungen. Die sich in Strömungsrichtung nach der Kammer im Außenbereich der Flamme befindlichen Gasverbindungen werden nach dem Venturiprinzip wieder in den Bereich vor der Kammer gesaugt, wo sie sich mit der stickstoffarmen Luft aus der äußeren Luftzuführdüse vermischen und in die Kammer einströmen.

Durch die Ausbildung des Hohlkörpers ergibt sich eine definierte Verbrennungszone. Nach Eintritt des Brennstoff/Luft-Gemisches in den Hohlkörper führt die Querschnittserweiterung des Hohlkörpers zu einer gezielten Geschwindigkeitsverringerung des Gemisches. Sobald die Geschwindigkeit des eingeströmten Gemisches klein ge­ nug ist, kann das Gas durch eine übliche Zündeinrichtung entzün­ det werden. Es entsteht eine lagestabile Verbrennungszone mit oszillierender Flammwurzel in dem Hohlkörper.

Die Einstellbarkeit der Luftmenge und/oder Brennstoffmenge nach Anspruch 3 wird durch eine einstellbare Luftzuführdüse bzw. Brennstoffzuführdüse erreicht.

In der vorteilhaften Ausgestaltung des Brenners nach Anspruch 4 ergibt sich ein definierter Strömungsabriß an scharfen ringför­ migen Schneiden der Luft- und Brennstoffzuführdüse, durch den der zugeführte Brennstoff zerstäubt wird.

Die stickstoffarme Luft für den Schutzmantel des Brennstoffes gegen die umgebende Atmosphäre wird in der Ausgestaltung der Er­ findung nach Anspruch 5 durch eine Vielzahl kleiner Düsenbohrun­ gen in die Gemischbildungszone eingeleitet.

Um sowohl die Strömung durch den Hohlkörper, als auch die Strö­ mung der schwer verbrennbaren, unverbrannten Gasverbindungen an der Außenseite des Hohlkörpers zu verbessern, ist der Hohlkörper selbst gemäß Anspruch 6 im Längsschnitt als ein Flügelprofil ausgebildet. Dies bedeutet, daß in Strömungsrichtung die Wand­ dicke des Hohlkörpers zunächst ansteigt, um danach langsam wie­ der abzufallen. Aufgrund der hohen Flammtemperaturen im Aus­ strömbereich des Hohlkörpers soll die Wand des Hohlkörpers eine bestimmte Mindestdicke nicht unterschreiten. Daher kann ein strömungstechnisch optimales, spitzes Auslaufen des Flügelpro­ fils des Hohlkörpers aber nicht ganz erreicht werden.

Durch die Formgebung des Flammrohres gemäß Anspruch 7 legt sich die Flamme nach einem gewissen Abstand nach ihrem Austritt aus der Kammer vollständig an das Flammrohr an. Damit wird vermie­ den, daß die schwer verbrennbaren, unverbrannten Gasverbindun­ gen, welche nach der Kammer zwischen der Flamme und dem Flamm­ rohr frei werden, mit der Flamme ausströmen und nicht durch die Venturiwirkung rückgeführt werden. Außerdem wird der Eintritt der umgebenden Brennraumatmosphäre verhindert.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 läßt sich das Gemisch in der Kammer auf einfache Weise zünden und außerdem durch in der Kammer stattfindende Plasmabildungsvorgänge entste­ hende elektrische Ladung nach außen ableiten. Die dadurch gewon­ nene elektrische Energie kann zum Betreiben von Nebenaggregaten verwendet werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Brenners gemäß der Erfin­ dung mit Verbrennungszone und Strömungsschichten und

Fig. 2, 3 vergrößerte Darstellungen des Brennerkopfes mit vorderem Flammrohrbereich nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen Brenner, der aus einem Brennerkopf B und ei­ nem anschließenden Flammrohr F besteht. Der in Fig. 1 linke Teil des Brennerkopfes B wird als Düsenstock D bezeichnet und hat eine konzentrische Auslaßanordnung, welche im folgenden noch de­ taillierter beschrieben wird. Den rechten Teil des Brennerkopfes B bildet ein Auslaßgehäuse 22 mit einem Boden 21, welcher über Schrauben S mit dem Düsenstock D verbunden ist. In dem Aus­ laßgehäuse 22 ist mit gleichmäßigem Abstand von dessen Innenwand ein langgestreckter, im wesentlichen eiförmig ausgebildeter Hohlkörper 20 mittels Abstandshaltern 23 befestigt. Als Abstandshalter 23 dienen mehrere zwischen Hohlkörper 20 und Auslaßgehäuse 22 befestigte Isolierkörper aus Berylliumkeramik. Den Innenraum des Hohlkörpers 20 bildet eine Kammer 11. Der Hohlkörper 20 besitzt eine der Auslaßanordnung zugewandte Ein­ strömöffnung 12 und eine dem Flammrohr F zugewandte Aus­ strömöffnung 13.

Das Auslaßgehäuse 22 besteht aus ungehärtetem rostfreien Stahl und hat an seinem dem Boden 21 gegenüberliegenden Ende einen ra­ dialen Flansch 26. Das Flammrohr F besitzt an seinem dem Auslaß­ gehäuse 22 zugewandten Ende einen Flansch 28. Durch mehrere Klemmverbinder 24 sind das Auslaßgehäuse 22 und das Flammrohr F an ihren Flanschen 26, 28 aneinander fixiert.

Fig. 2 zeigt den Brennerkopf B mit einem Teil des daran be­ festigten Flammrohres F, das aus Siliciumnitridkeramik besteht. Der Düsenstock D ist aus mehreren durch Drehen hergestellten Teilen L, R und T aus gehärtetem rostfreien Stahl aufgebaut. Zwischen den Teilen L, R und T vorgesehene Dichtungen aus Kupfer sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.

Das linke Teil T des Düsenstockes D ist ein Düsenführungsteil, welches eine zentrische Gewindebohrung 29 und je eine Bohrung 30a, 30b zum Anschließen einer Brennstoffleitung BL bzw. einer Luftleitung LL besitzt. Die Gewindebohrung 29 erstreckt sich von der hinteren, dem Flammrohr F abgewandten Seite des Düsenfüh­ rungsteiles T bis zu einer ebenfalls zentrischen, im vorderen Teil des Düsenführungsteils ausgebildeten Paßbohrung 31. In die Gewindebohrung 29 des Düsenführungsteiles T ist von der dem Flammrohr F zugewandten Seite aus ein mit Außengewinde verse­ henes Luftzuführrohr 1 eingeschraubt. Der dem Flammrohr F Zuge­ wandte Teil des Luftzuführrohres 1 ist mit einem zylindrischen Paßstück 32 versehen, welches auf den Durchmesser der Paßbohrung 31 des Düsenführungsteiles T abgestimmt ist und einen größeren Durchmesser als die Gewindebohrung 29 besitzt. Dadurch kann sich das Luftzuführrohr 1 in der Paßbohrung 31 zentrieren. Eine Spitze 33 des Luftzuführrohres 1 enthält eine innere Luftzuführ­ düse 2, welche Teil eines Injektors ist. Die Außenfläche der Spitze 33 des Luftzuführrohres 1 und ebenso die Innenfläche der Luftzuführdüse 2 laufen in Strömungsrichtung der zugeführten Luft kegelig spitz so zu, daß sich am Ende der Spitze 33 eine scharfe, ringförmige Schneide ergibt. Das Luftzuführrohr 1 kann mehr oder weniger tief in das Düsenführungsteil T eingeschraubt werden. Nach Erreichen der gewünschten Einschraubtiefe wird die Lage des Luftzuführrohres 1 mit einer Kontermutter 30 fixiert.

Radial außerhalb der Paßbohrung 31 ist am Düsenführungsteil T eine äußere zylindrische Paßfläche 34 ausgebildet, auf der als Teil L ein Luftlenkkörper sitzt. Der so auf dem Düsenführungs­ teil T zentrierte Luftlenkkörper L hat mehrere, weiter unten er­ läuterte axiale und radiale Bohrungen zum Leiten von Brennstoff bzw. Luft.

Radial außerhalb des Luftlenkkörpers L wiederum sitzt als Teil R ein Brennstoffkammerring, der ebenfalls mit radialen und axialen Bohrungen versehen ist, welche zum Leiten von Brennstoff und Luft dienen.

Der Luftlenkkörper L besitzt an seiner Außenseite eine Ein­ drehung, die zusammen mit dem Brennstoffkammerring R eine ring­ förmige äußere Brennstoffkammer Ka bildet. Über einige radiale Bohrungen in dem Luftlenkkörper L ist die äußere Brennstoffkam­ mer Ka mit einer ringförmigen inneren Brennstoffkammer Ki verbunden, welche radial von dem Luftzuführrohr 1 und dem Luft­ lenkkörper L begrenzt wird. Zur Brennstoffzuführung ist ein Teil der axialen Bohrungen des Brennstoffkammerrings R über einen Teil von dessen radialen Bohrungen mit der äußeren Brennstoff­ kammer Ka verbunden. Am vorderen Ende der Spitze 33 verengt sich der Querschnitt der inneren Brennstoffkammer Ki stark, da der Luftlenkkörper L an seinem benachbarten Ende eine stark nach in­ nen abgewinkelte Ringwand 6 besitzt. Die Ringwand 6 läuft an ih­ rem Ende scharfkantig zu, so daß eine scharfe ringförmige Schneide gebildet ist. Diese Ringwand 6 bildet mit der Spitze 33 eine Brennstoffzuführdüse 5 mit ringförmigem Aus­ strömquerschnitt.

Der Luftlenkkörper L hat weiter in seiner dem Brennstoff­ kammerring R benachbarten Stirnseite einen ringförmigen Einstich E, der über einen Teil der axialen Bohrungen in dem Brennstoff­ kammerring R mit der Luftleitung LL in Verbindung steht. Vier kleine axiale Bohrungen 36 verbinden den Einstich E mit vier großen radialen Bohrungen 37, welche nach außen jeweils durch eine Madenschraube 18 verschlossen sind. Die radialen Bohrungen 37 münden über eine äußere Luftzuführdüse 8, welche aus vier kleinen Düsenbohrungen von 0,5 mm Durchmesser besteht, in einen Raum im Auslaßgehäuse 22, welcher zwischen dem Düsenstock D und dem Hohlkörper 20 gebildet ist. Dieser Raum wird Gemischbildungszone 3 genannt. Die Düsenbohrungen der äußeren Luftzuführdüse 8 sind jeweils von den vier radialen Bohrungen 37 aus gesehen schräg auf eine Mittelachse M des Auslaßgehäuses 22 gerichtet, so daß sich die Achsen dieser Düsenbohrungen in einem Punkt vor der inneren Luftzuführdüse 2 auf der Mittelachse M des Auslaßgehäuses 22 treffen. Der Luftlenkkörper L hat an seinem, dem Flammrohr F zugewandten Ende radial außerhalb seiner Ring­ wand 6 eine trichterförmige, tiefe Eindrehung 39, aus der die Ringwand 6 vorsteht. Die Außenfläche der trichterförmigen Ein­ drehung 39 verläuft im Schnitt gesehen annähernd rechtwinkelig zu den Düsenbohrungen der äußeren Luftzuführdüse 8.

Das Düsenführungsteil T, der Luftlenkkörper L, der Brenn­ stoffkammerring R und das Auslaßgehäuse 22 sind über Schrauben S zusammengespannt. Im Brennstoffkammerring R sind dafür Durchgangsbohrungen und im Düsenführungsteil T Gewindebohrungen für die Aufnahme der Schrauben S vorgesehen. Im Bereich der Köpfe der Schrauben S ist das Auslaßgehäuse 22 mit Öffnungen 41 versehen.

Wie bereits ausgeführt, ist innerhalb des Auslaßgehäuses 22 der Hohlkörper 20 mittels der Abstandshalter 23 mit gleichmäßigem Abstand von der Innenwand des Auslaßgehäuses 22 angeordnet. Der Hohlkörper 20 besitzt mehrere diametral gegenüberliegende, ra­ diale Bohrungen, welche zusammen mit Bohrungen in den Abstands­ haltern 23 und Bohrungen in dem Auslaßgehäuse 22 diametral ge­ genüberliegende Durchgangsöffnungen bilden, von denen in Fig. 2 jeweils nur zwei sichtbar sind. Zündelektroden Z, die an eine Hochspannungsquelle HV angeschlossen sind, erstrecken sich durch diese Durchgangsöffnungen in das Innere des Hohlkörpers 20, also in die Kammer 11. Darüber hinaus stehen die Zündelektroden Z mit Nebenaggregaten N in Verbindung.

Die Wirkungsweise des Brenners wird im folgenden unter Be­ zugnahme auf Fig. 3 näher erläutert.

Aus einer nicht gezeigten zentralen Luftquelle wird stick­ stoffarme Luft einerseits über die Luftleitung LL und ande­ rerseits über das Luftzuführrohr 1 in den Düsenstock D ein­ geleitet. Die Einleitung des Brennstoffes erfolgt über die Brennstoffleitung BL.

Ein Teil der stickstoffarmen Luft strömt durch das zentrisch im Düsenstock D angeordnete Luftzuführrohr 1 zu der inneren Luftzu­ führdüse 2 und strömt durch diese beschleunigt als zentrischer Luftstrahl in das Auslaßgehäuse 22 ein. Über die Brennstofflei­ tung BL wird Brennstoff durch mehrere radiale und axiale Bohrun­ gen im Düsenstock D durch die äußere und innere Brennstoffkammer Ka bzw. Ki bis zu der ringförmigen Brennstoffzuführdüse 5 gelei­ tet. Durch die Ausbildung der inneren Luftzuführdüse 2 und der Brennstoffzuführdüse 5 als Injektor wird der Brennstoff aus der Brennstoffzuführdüse 5 durch den zentrischen Luftstrahl mitge­ rissen und strömt zusammen mit diesem in das Auslaßgehäuse 22. Da die benachbarten Enden der Luftzuführdüse 2 und der Ringwand 6 als scharfe ringförmige Schneiden ausgebildet sind, ergibt sich ein definierter Strömungsabriß an den Schneiden, durch den der zugeführte Brennstoff sehr gut zerstäubt wird. Dieser zer­ stäubte Brennstoff vermischt sich in der Gemischbildungszone 3 mit dem zentrischen Luftstrahl vollständig und strömt als leicht entzündbares Brennstoff/Luft-Gemisch in den langgestreckten, im wesentlichen eiförmig ausgebildeten Hohlkörper 20.

Die in den Hohlkörper 20 ragenden Elektroden Z werden zur Zün­ dung mit der Hochspannungsquelle Hv verbunden und erzeugen einen Lichtbogen, welcher das Brennstoff/Luft-Gemisch zündet. Es ent­ steht eine Verbrennungszone mit einer Flamme 40, die in der Kam­ mer 11 noch im Brennerkopf B selbst beginnt und eine Flammwurzel aufweist, welche sich in der Kammer 11 nahe der Einströmöffnung 12 bildet. Die Flamme 40 nimmt schon vor Austritt aus der Kammer 11 den gesamten Kammerquerschnitt ein. Bei Austritt aus der Kam­ mer 11 erreicht die Flamme 40 ihre höchste Temperatur. Wegen der extremen thermischen Belastung des Hohlkörpers 20 besteht dieser aus Wolfram. Nach Austritt aus dem Hohlkörper 20 legt sich die Flamme 40 erst nach einem gewissen Abstand von der Ausströmöff­ nung 13 vollständig an das Flammrohr F an. Die Form der Flamme 40 hängt insbesondere von der Art des Brennstoffes ab. Das Flammrohr F ist exakt der Form der Flamme 40 angepaßt, so daß zwischen Flammrohr F und Flamme 40 stromab kein Zwischenraum entsteht, über den schwer verbrennbare, unverbrannte Gasver­ bindungen aus dem Flammrohr F austreten könnten oder die umge­ bende Brennraumatmosphäre über das Flammrohr F eintreten könnte.

Bei Austritt der Flamme 40 aus dem Hohlkörper 20 befinden sich in dem Außenbereich der Flamme 40 schwer verbrennbare, bis dahin noch unverbrannte Gasverbindungen. Diese werden beim Austritt der Flamme 40 aus dem Hohlkörper 20 in einem Austrittsraum 38 frei. Der Austrittsraum 38 ist ringförmig und bildet den Bereich zwischen der austretenden Flamme 40 und dem Flammrohr F in dem Bereich, in dem sich die Flamme 40 noch nicht vollständig an das Flammrohr F angelegt hat. Durch das Venturiprinzip werden die sich im Austrittsraum 38 befindlichen schwer verbrennbaren, un­ verbrannten Gasverbindungen über einen Ringraum 42, der eine Re­ zirkulationseinrichtung bildet und von dem Hohlkörper 20 und dem Auslaßgehäuse 22 begrenzt wird, in Richtung Auslaßanordnung rückgeführt. Dieses Rückführen wird dadurch erleichtert, daß der Hohlkörper 20 im Längsschnitt ein Flügelprofil hat, so daß sich die Strömung gut an den Hohlkörper 20 anlegt und Verwirbelungen vermeidet.

Schwer verbrennbare Gasverbindungen benötigen zu ihrer Ver­ brennung viel Sauerstoff. Zu diesem Zweck werden die in die Ge­ mischbildungszone 3 rückgeführten Gasverbindungen mit stickstof­ farmer Luft aus den Düsenbohrungen der äußeren Luftzuführdüse 8 vermischt, zu denen die stickstoffarme Luft über die in den Drehteilen des Düsenstockes D befindlichen Bohrungen 30b, 36, den ringförmigen Einstich E und die daran anschließenden Boh­ rungen 37 gelangt. Der Einstich E ist erforderlich, damit in al­ len Düsenbohrungen der äußeren Luftzuführdüse 8 gleiche Druckverhältnisse vorliegen. Der Querschnitt der Bohrungen 36 und 37 ist größer als der Querschnitt der Düsenbohrungen der äu­ ßeren Luftzuführdüse 8 selbst, damit stets ein Staudruck vor­ handen ist. Die Düsenbohrungen sind schräg nach innen und auf das sich bildende zentrisch strömende Brennstoff/Luft-Gemisch gerichtet, wodurch sich ein äußerer, kegeliger Luftstrahl er­ gibt. Der Strömungsquerschnitt für den kegeligen Luftstrahl aus stickstoffarmer Luft verjüngt sich bis zum Auftreffen auf das Brennstoff/Luft-Gemisch, um sich dann nach einer durch das Auf­ treffen auf das Brennstoff/Luft-Gemisch verursachten Gasstrahl­ beugung wieder leicht kegelig aufzuweiten und in den Hohlkörper 20 einzuströmen. Diese um das Brennstoff/Luft-Gemisch strömende stickstoffarme Luft wirkt als Schutzmantel 25 gegen die umge­ bende atmosphärische Luft, die über die Öffnungen 41 Zutritt hat und wegen ihres hohen Stickstoffgehaltes von der Verbrennung ferngehalten werden soll. Neben dem Schutzmantel 25 bildet sich aber auch radial außerhalb dieses Schutzmantels 25 eine ring­ förmige stickstoffarme Luftzone 27, die durch stickstoffarme Luft aus den Düsenbohrungen gebildet wird. Die Strömung in der stickstoffarmen Luftzone 27 ist durch die schräg angeordneten Düsenbohrungen und die Formgebung des Luftlenkkörpers L im Be­ reich nach den Düsenbohrungen so gerichtet, daß sich die stick­ stoffarme Luft teilweise noch in der Gemischbildungszone 3 mit den rückgeführten, schwer verbrennbaren, unverbrannten Gasver­ bindungen vermischt und zusammen mit diesen in die Kammer 11 einströmt. Diese Gasverbindungen erhalten so den für ihre Ver­ brennung notwendigen Sauerstoff über die stickstoffarme Luft. Die in die Kammer 11 einströmenden schwer verbrennbaren, unver­ brannten Gasverbindungen und die stickstoffarme Luft haben ein derartiges Mischungsverhältnis, daß in der Kammer 11 deren Zün­ dung erfolgt, wodurch die Flammtemperatur stark erhöht wird. Da­ durch verschiebt sich die Flammwurzel in Richtung zur Aus­ laßanordnung hin. Dieser Vorgang des Rückführens, Vermischens und Entzündens wiederholt sich ständig, so daß die Flammwurzel mit relativ hoher Frequenz axial oszilliert. Das führt dazu, daß der Brenner einen Brummton erzeugt und daß eine in der Gemisch­ bildungszone 3 erzeugte Drucksäule ebenfalls oszilliert und hilft, das Vermischen der schwer verbrennbaren, unverbrannten Gasverbindungen mit der stickstoffarmen Luft zu fördern.

Zum optimalen Funktionieren des Brenners bedarf es einer exakten Einstellung der Mengen des zugeführten Brennstoffes und der stickstoffarmen Luft. Die zugeführte Brennstoffmenge wird über mehr oder weniger tiefes Einschrauben des Luftzuführrohres 1 in das Düsenführungsteil T eingestellt. Da die Spitze 33 des Luft­ zuführrohres 1 gleichzeitig die innere Wand dem ringförmigen Brennstoffzuführdüse 5 bildet, wird durch ein stärkeres Eindre­ hen des Luftzuführrohres 1 in das Düsenführungsteil T der Quer­ schnitt der Brennstoffzuführdüse 5 erhöht und es strömt mehr Brennstoff in die Gemischbildungszone 3. Die Einstellung der zugeführten stickstoffarmen Luftmenge erfolgt über nicht ge­ zeigte Einstellschrauben, durch die der Strömungsquerschnitt der Luftleitung LL und des Luftzuführrohres 1 mehr oder weniger ver­ ringert wird.

Die Flamme 40 tritt nach dem Ende des Flammrohres F in einen nicht gezeigten Brennraum ein. Versuche haben ergeben, daß die freiwerdenden Abgase kaum noch unverbrannte Kohlenwasserstoffe und nur noch geringste Mengen an Kohlenmonoxid und Stickstoffo­ xiden enthalten.

Der Aufbau des Brenners gestattet, daß sowohl mit staubförmigen oder flüssigen Brennstoffen als auch mit brennbaren Gasen, ins­ besondere Kohlenwasserstoffgasen, gearbeitet werden kann.

Zusätzlich zu der Wärmegewinnung durch die Verbrennung kann auch elektrische Energie aus dem Brenner abgezweigt werden. Die Ver­ brennung in der Kammer 11 führt zu einer Plasmabildung. Die da­ bei entstehende elektrische Ladung kann über die Elektroden Z nach außen abgeführt und zur Energieversorgung der Nebenaggre­ gate N eingesetzt werden. Die bei der Verbrennung gewonnene elektrische Energie kann bei einem Brenner für Feuerungsanlagen mehrere hundert Watt betragen. Damit die Ladung abgeführt werden kann, ist der Hohlkörper 20 gegenüber dem Auslaßgehäuse 22 iso­ liert, wie oben dargelegt.

Claims (8)

1. Brenner mit einem Brennerkopf (B), der stromauf eine konzen­ trische Auslaßanordnung aus zumindest einer Luftzuführdüse und einer Brennstoffzuführdüse (5) sowie stromab ein Auslaßgehäuse (22) aufweist, und mit einem sich in Strömungsrichtung an den Brennerkopf (B) anschließenden Flammrohr (F), wobei in dem Aus­ laßgehäuse (22) eine gegenüber diesem teilweise abgegrenzte Kam­ mer (11) angeordnet ist, die mit dem Auslaßgehäuse (22) einen Ringraum (42) als Rezirkulationseinrichtung für Verbren­ nungsprodukte aus dem Flammrohr (F) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß bei Rückführung von Verbrennungs­ produkten in Form von schwer verbrennbaren, unverbrannten Gas­ verbindungen

• - die konzentrische Auslaßanordnung eine innere, einen zen­ tralen Luftstrahl erzeugende Luftzuführdüse (2) und zumin­ dest eine äußere Luftzuführdüse (8) und dazwischen die Brennstoffzuführdüse (5) aufweist,
• - die Kammer (11) im Abstand von der Auslaßanordnung unter Ausbildung einer Gemischbildungszone (3) angeordnet ist und sich in Hauptströmungsrichtung im Querschnitt zunächst er­ weitert und anschließend unter Erzeugung eines äußeren ring­ förmigen Austrittsraumes (38) wieder verengt, der mit dem Ringraum (42) in Verbindung steht,
• - die innere Luftzuführdüse (2) und die Brennstoffzuführdüse (5) einen Injektor bilden, durch den ein Mitreißen des Brennstoffes durch den Luftstrahl in die Gemischbildungszone (3) erfolgt, und
• - die äußere Luftzuführdüse (8), über die stickstoffarme Luft zuführbar ist, so nach innen gerichtet ist, daß sich die stickstoffarme Luft radial innen als Schutzmantel (25) gegen umgebende atmosphärische Luft um den über die Brenn­ stoffzuführdüse (5) eingeleiteten Brennstoff legt und radial außen mit den Gasverbindungen vermischt und in die Kammer (11) einströmt, in der die Verbrennungszone beginnt.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kam­ mer (11) den Innenraum eines in dem Auslaßgehäuse (22) ange­ ordneten, langgestreckten, im wesentlichen eiförmig ausgebilde­ ten, rotationszylindrischen Hohlkörpers (20) bildet, welcher eine der Auslaßanordnung zugewandte Einströmöffnung (12) und eine diametral gegenüberliegende Ausströmöffnung (13) aufweist.

3. Brenner nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Ein­ richtung, durch die die Menge der stickstoffarmen Luft und/oder des Brennstoffes stufenlos einstellbar ist.

4. Brenner nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzuführdüse (5) ein ringförmiger Spalt ist, der in­ nen durch ein Ende der inneren Luftzuführdüse (2) und außen durch eine gegen dieses Ende abgewinkelte Ringwand (6) gebildet ist, und daß die benachbarten Enden der Luftzuführdüse (2) und der Ringwand (6) als scharfe ringförmige Schneiden ausgebildet sind.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die äußere Luftzuführdüse (8) aus einer Viel­ zahl von kleinen Düsenbohrungen besteht, die den Schutzmantel (25) als einen im wesentlichen kegelförmigen Luftstrahl in die Gemischbildungszone (3) einleiten.

6. Brenner nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, die Wand des Hohlkörpers (20) im Längsschnitt ein Flügelprofil hat.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Form des Flammrohres (F) der Form der bei der Verbrennung entstehenden Flamme (40) so angepaßt ist, daß der Eintritt der umgebenden Brennraumatmosphäre zwischen Flamm­ rohr (F) und Flamme (40) verhindert ist.

8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der der Kammer (11) zugeordnete Hohlkörper (20) gegenüber dem Auslaß­ gehäuse (22) elektrisch isoliert ist und daß in den Hohlkörper (20) Elektroden (Z) eingeführt sind.