DE4237858A1 - Gas-/Ölbrenner - Google Patents

Description

"Gas-/Ölbrenner"

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gas-/Ölbrenner mit einer Brenngas-/Öldüse, die mittels einer Brenngas-/Öl­ zufuhrleitung mit Brenngas bzw. Öl versorgbar ist und aus der ein Brenngas-/Ölstrahl abstrahlbar ist, und einer Zerstäuberdüse, die stromab der Brenngas-/Öldüse angeord­ net und mittels einer Gaszufuhrleitung mit verdichtetem Zerstäubergas versorgbar ist und in der ein sich in Öff­ nungsrichtung erweiternder Düsenraum ausgebildet ist, in den der Brenngas-/Ölstrahl und das Zerstäubergas durch­ mischbar und der entstehende Brenngas-/Zerstäubergas- bzw. Öl-/Zerstäubergasstrom mit einem Drall beaufschlagbar sind.

Bei derartigen Brennern wird der durch das Zerstäubergas verdrallte Brennstoff-/Zerstäubergasstrom stromab der Zer­ stäuberdüse, d. h. nach seinem Austritt aus der Zerstäuber­ düse, mit einem Verbrennungsluftstrom beaufschlagt. Der Verbrennungsluftstrom hat normalerweise einen anderen Strömungsdruck als der Zerstäubergasstrom und verläuft normalerweise außen an der Zerstäuberdüse vorbei.

Sowohl für den Zerstäubergasstrom als auch für den Verbren­ nungsluftstrom muß jeweils ein aufwendiges Luftverteilungs­ system sowie ein Verdichteraggregat vorgesehen werden. Dem­ entsprechend ergibt sich bei dem bekannten Gas-/Ölbrenner ein vergleichsweise großer technischer Aufwand für die Zur­ verfügungstellung sowohl des Zerstäubergas- als auch des Verbrennungsluftstroms.

Des weiteren hat sich herausgestellt, daß bei den herkömm­ lichen Brennern sehr häufig Beschädigungen der Flammrohre auftraten. Dies geht darauf zurück, daß die Vereinigung zwischen dem Brennstoff/Zerstäubergasstrom und dem Ver­ brennungsluftstrom in einem nahe dem Innenumfang des Flamm­ rohres angeordneten Mischungsbereich erfolgt, was zu einer plötzlich auftretenden Temperaturerhöhung im Flammrohr bzw. in dessen Wandung führt. Diese Temperaturerhöhung erfolgt bei bekannten gattungsgemäßen Brennern mit einem Tempera­ turgradienten von ca. 200 Grad C/mm Rohrlänge; der Tem­ peraturgradient ist deshalb so groß, weil der durch den nahe ihm stattfindenden Verbrennungsvorgang bereits er­ heblich erhitzte Brennstoff/Zerstäubergasstrom in dem ge­ nannten Mischbereich bzw. Mischabschnitt mit der kalten Verbrennungsluft zusammentrifft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gas-/Ölbren­ ner zu schaffen, der mit erheblich geringerem technischen Aufwand realisierbar ist und bei dem das Flammrohr eine erhöhte Lebensdauer aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Zerstäuberdüse Gasabstrahlkanäle ausgebildet sind, die in unterschiedlichen Richtungen senkrecht zur Hauptströmungs­ richtung des aus der Brenngas-/Öldüse austretenden Brenn­ gas-/Ölstrahls angeordnet sind, deren Längsachse einen Abstand zur Hauptströmungs- bzw. Mittelachse des Brenngas-/ Ölstrahls aufweisen und deren gesamter Strömungsquerschnitt ausreichend groß ist, um die für den Verbrennungsvorgang er­ forderliche Verbrennungsluft mit dem bzw. als Zerstäubergas durch die Gasabstrahlkanäle in den Düsenraum der Zerstäuber­ düse abzustrahlen. Bei dieser Ausgestaltung, bei der sowohl das Zerstäubergas als auch das Verbrennungsgas durch die Zer­ stäuberdüse dem Brennstoffstrahl beigemischt werden, ent­ fällt die Notwendigkeit zweier unabhängiger Gas- bzw. Luft­ zufuhrsysteme. Des weiteren kann ein Verdichteraggregat entfallen. Weiterhin kann ein den Brenner in seiner Länge in ungünstiger Weise vergrößerndes Zwischenteil für die Verbrennungs- bzw. Sekundärluft entfallen, wodurch sich darüber hinaus die Montage des Brenners erheblich verein­ facht. Es ergibt sich des weiteren ein intensiverer Zer­ stäubungs- bzw. Verdrallungsvorgang. Da die Beimischung der vergleichsweise kalten Verbrennungsluft nicht mehr nahe dem Innenumfang des Flammrohres sondern innerhalb der Zerstäuberdüse erfolgt, ergeben sich für die Wandung des Flammrohres erheblich geringere Temperaturgradienten, was in einer beträchtlichen Verlängerung der Lebensdauer des Flammrohres resultiert. Insgesamt ergeben sich auf­ grund der technischen Vereinfachungen der Luft- bzw. Gas­ zufuhr und der erhöhten Haltbarkeit der Flammrohre be­ trächtliche Kosteneinsparungen.

Wenn das den Brenner ofenseitig koaxial umgebende Flamm­ rohr an einem nahe seinem Befestigungsabschnitt und strom­ auf des eigentlichen Verbrennungsbereichs des Brenners an­ geordneten Umfangsabschnitt mit mehreren in Umfangsrichtung des Flammrohres zueinander beabstandeten Radialdurchlässen ausgebildet ist, kann aufgrund des bei der Verbrennung und wegen einer Einschnürung des Flammrohres auftretenden Über­ drucks eine Strömung von Verbrennungsgasen in Richtung auf die Radialdurchlässe erzeugt werden, mittels der eine gleichmäßig ansteigende Erwärmung der Wandung des Flamm­ rohres in Strömungsrichtung bewerkstelligbar ist. Durch die genannten Maßnahmen kann der Temperaturgradient, mit dem die Temperatur in der Wandung des Flammrohres in Strömungs­ richtung ansteigt, auf ca. 10 Grad C/mm Rohrlänge reduziert werden.

Um zu vermeiden, daß das Flammrohr im Bereich seines Be­ festigungsabschnitts zu stark erwärmt wird, kann eine ab­ kühlende Gegenströmung erzeugt werden, indem in der Gas­ zufuhrleitung stromab des Befestigungsabschnitts des Flamm­ rohres Durchlaßbohrungen ausgebildet werden.

Wenn koaxial zum vorzugsweise aus Siliciumkarbid ausgebil­ deten Flammrohr innerhalb desselben ein Quarzrohr ange­ ordnet ist, kann das Flammrohr durch das vergleichsweise unempfindliche Quarzrohr auch bei im Betrieb zuweilen auf­ tretenden unsymmetrischen Ausströmverhältnissen gegen un­ zulässige lokale thermische Überbelastungen geschützt wer­ den.

Eine Brenngasdüse kann in einfacher Weise gegen eine Öldüse ausgetauscht werden, wenn die Brenngas- bzw. Öldüse mit­ tels eines in Strömungsrichtung vorgespannten Spannrohres in Anlage an die Zerstäuberdüse drückbar ist. Zum Austausch der betreffenden Düse und ihren Ersatz durch die jeweils andere Düse muß dann lediglich der Andruck zwischen der be­ treffenden Düse und der Zerstäuberdüse aufgehoben werden, wonach die genannte Düse in einfacher Weise ausgetauscht werden kann. Der erfindungsgemäße Brenner ist somit sowohl als Gas- als auch als Ölbrenner betreibbar.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer Ausführungs­ form unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher dargestellt, die eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gas-/Öl­ brenners schematisch zeigt.

In einem in der Figur dargestellten Gas- bzw. Ölbrenner wird Brenngas bzw. Öl aus einer Brenngas- bzw. Öldüse 1 abgestrahlt und in einer Zerstäuberdüse 2 mit einem Zer­ stäubergas gemischt und von Zerstäubergasstrahlen ver­ drallt; mit dem Zerstäubergas und durch die Zerstäuberdüse 2 wird der aus der Brenngas- bzw. Öldüse 1 abge­ strahlte Brennstoffstrom auch mit dem Verbrennungsluft­ strom beaufschlagt.

Die Brenngas- bzw. Öldüse 1 ist über einen Düsenhalter 3 an eine Brenngas- bzw. Ölzufuhrleitung 4 angeschlossen, in der nicht dargestellte Ventile vorgesehen sind und die an eine ebenfalls nicht dargestellte Brennstoffpumpe ange­ schlossen ist; hierdurch wird die Brenngas- bzw. Öldüse 1 mit einem einstellbaren Brennstoffstrom versorgt. Die Brenn­ gas- bzw. Öldüse 1 dient zur Dosierung eines Brennstoff­ strahls und ist darüber hinaus in an sich bekannter Weise so ausgebildet, daß der sie verlassende Brennstoffstrahl mit einem um seine Hauptströmungsachse 5 herum gerichteten Drall beaufschlagt ist.

In Strömungsrichtung des Brennstoffstrahls ist hinter der Brenngas- bzw. Öldüse 1 die Zerstäuberdüse 2 angeordnet. Die Zerstäuberdüse 2 bildet einen sich trompetenartig er­ weiternden Düsenraum aus, in den der verdrallte Brennstoff­ strahl eingestrahlt wird. Nahe dem brenngas- bzw. öldüsen­ seitigen Ende des sich trompetenartig erweiternden Düsen­ raums sind etwa in Radialrichtung der Zerstäuberdüse 2 ver­ laufende Gasabstrahlkanäle 6 ausgebildet, die im gleichen Umfangsabstand zueinander um die Mittelachse des Düsenraums bzw. die Hauptströmungsachse 5 des Brennstoffstrahls herum angeordnet sind. Die Längsachsen der Gasabstrahlkanäle 6 schneiden jedoch nicht die senkrecht zu ihnen verlaufende Mittelachse bzw. Hauptströmungsachse 5, sondern sind mit einem Abstand parallel versetzt zu die Mittelachse bzw. die Hauptströmungsachse 5 schneidenden Radien angeordnet.

Die Zerstäuberdüse 3 ist über eine im Brennerbereich koaxial zur Brenngas- bzw. Ölzufuhrleitung 4 verlaufende Gaszufuhr­ leitung 7 an eine im einzelnen nicht dargestellte Druckgas­ quelle angeschlossen. Als Zerstäuber- bzw. Druckgas kann z. B. Luft, Sauerstoff oder Wasserdampf dienen. Der Zerstäubergas­ strom wird in die Gasabstrahlkanäle 6 aufgeteilt, aus denen er mit hoher Geschwindigkeit quasi tangential bzw. sekantial auf den Brennstoffstrahl trifft und diesen demgemäß mit einem Drall beaufschlagt, der dem ursprünglichen, durch die Brenn­ gas- bzw. Öldüse 1 vorgegebenen Drall des Brennstoffstrahls entgegengesetzt ist. Hierdurch entsteht der gut durchmisch­ te, den Düsenraum der Zerstäuberdüse 2 und dessen Austritts­ fläche 8 etwa radial zur Mittelachse des Düsenraums verlas­ sende Brenngas/Zerstäubergas- bzw. Öl/Zerstäubergastrom.

Die Strömungsquerschnitte der Gasabstrahlkanäle 6 sind aus­ reichend groß, um eine Beaufschlagung des Brennstoffstroms auch mit dem Verbrennungsgas, z. B. Verbrennungsluft, zuzulas­ sen. Das gesamte zur Durchführung einer einwandfreien Ver­ brennung erforderliche Verbrennungsgas wird dem Brennstoff­ strom somit durch die Zerstäuberdüse 2 mit dem bzw. als Zer­ stäubergasstrom zugemischt.

Der eigentliche Verbrennungsvorgang erfolgt in einem den Gas- bzw. Ölbrenner koaxial umgebenden und in Strömungs­ richtung über den Brenner vorstehenden Flammrohr 9.

Infolge der durch den auferlegten Drall verursachten Zen­ trifugalkräfte strömt der gemischte Brenngas/Zerstäubergas­ bzw. Öl/Zerstäubergasstrom entlang der nach außen gekrümmten Hüllfläche des Düsenraums der Zerstäuberdüse 2 und verläßt ihn in vornehmlich radialer Richtung, d. h. senkrecht zur Haupt­ strömungsachse 5 des aus der Brenngas- bzw. Öldüse 1 aus­ tretenden Brennstoffstrahls unter Ausbildung eines achsnahen, rotationssymmetrischen Raums statischen Unterdrucks. Ein Teil des brennenden, hocherhitzten Gemisches wird unter Aus­ bildung eines Toroids in diesen achsnahen Raum statischen Unterdrucks zurückgesaugt, wo es sich dem radial abströmen­ den Brenngas/Zerstäubergas- bzw. Öl/Zerstäubergasstrom bei­ mengt, auf diesen einen Teil seiner fühlbaren Wärme überträgt und so ggf. zur Verdampfung des Ölnebels beiträgt.

Die Zerstäuberdüse 2 ist von einer Trenn- bzw. Frontscheibe 10 umgeben, die den Innenraum des Flammrohres 9 in einen - in Strömungsrichtung des Brennstoffstroms gesehen - stromab der Austrittsfläche 8 der Zerstäuberdüse 2 und einen ent­ sprechend stromauf dieser Austrittsfläche 8 angeordneten Bereich aufteilt. Der eigentliche Verbrennungsvorgang findet in dem stromab der Austrittsfläche 8 der Zerstäuberdüse 2 angeordneten Bereich des Flammrohres statt. Am freien Ende des stromauf der Austrittsfläche 8 der Zerstäuberdüse 2 angeordneten Bereichs des Flammrohres 9 ist dessen Befestigungsabschnitt 11 ausgebildet, mittels dem das Flammrohr 9 konzentrisch um den Brenner an der Ofenwandung angebracht ist.

Unmittelbar stromab des Befestigungsabschnitts 11 ist das Flammrohr 9 mit Radialdurchlässen 12 ausgebildet, die ring­ förmig über dem betreffenden Umfangsabschnitt des Flammrohres 9 angeordnet sind.

Im Flammrohr 9 herrscht im Bereich des Verbrennungsvorgangs und aufgrund einer das stromabwärtige Ende des Flammrohres 9 ausbildenden Einschnürung 13 Überdruck; deshalb wird Ver­ brennungsprodukt in einem geringfügigen Ausmaß durch einen zwischen dem Außenumfang der Trennscheibe 10 und dem Innen­ umfang des Flammrohres 9 vorhandenen Ringspalt 14 in den stromauf der Austrittsfläche 8 der Zerstäuberdüse 2 angeord­ neten Bereich des Flammrohres 9 gedrückt; diesen Bereich verläßt das betreffende Verbrennungsprodukt durch die Ra­ dialdurchlässe 12. Hierdurch wird das Flammrohr 9 erwärmt, wodurch ein zu starker Temperaturgradient im Flammrohr 9 am Anfang des eigentlichen Verbrennungsbereichs vermieden wird.

Eine unzulässige Erwärmung des Befestigungsabschnitts 11 des Flammrohres 9 wird durch den Aufbau einer Gegenströ­ mung vermieden. Die Gegenströmung besteht aus durch ent­ sprechend stromauf in der Gaszufuhrleitung 7 ausgebildete Durchlaßbohrungen 15 aus der Gaszufuhrleitung 7 ausströmen­ dem Gas, welches in Richtung auf die Radialdurchlässe 12 den Befestigungsabschnitt 11 des Flammrohres 9 durchströmt und das Flammrohr 9 mit dem Verbrennungsgas durch die Radial­ durchlässe 12 verläßt.

Mit dieser Ausgestaltung des Flammrohres 9 läßt sich ein Temperaturgradient in der Wandung des Flammrohres 9 zwi­ schen dem Befestigungsabschnitt 11 und dem Verbrennungsbe­ reich des Flammrohres 9 von ca. 10 Grad C/mm Rohrlänge er­ reichen, bei dem das üblicherweise aus Siliciumkarbid her­ gestellte Flammrohr 9 eine im Vergleich zum Stand der Tech­ nik, bei dem Temperaturgradienten von bis zu 200 Grad C/mm Flammrohrlänge auftreten, beträchtlich erhöhte Lebensdauer aufweist.

Der beschriebene Brenner kann sowohl mit Brenngas als auch mit Öl betrieben werden. Die Brenngasdüse läßt sich durch eine Öldüse ersetzen oder umgekehrt, indem ein Einschraub­ stopfen 16 aus einer mit der Gaszufuhrleitung 7 verbundenen Gewindemuffe 17 herausgedreht wird, wodurch die mittels einer Feder 18, die sich einseitig am Einschraubstopfen 16 abstützt, über ein Spannrohr 19, gegen das die Feder 18 mit ihrem anderen Ende drückt, und den Düsenhalter 3 auf die Brenngas­ bzw. Öldüse 1 übertragene und diese in fester Anlage an die Zerstäuberdüse 2 drückende Vorspannung aufgehoben wird. Nach Aufhebung dieser Vorspannung kann in einfacher Weise die Brenngas- bzw. Öldüse durch eine Öl- bzw. Brenngasdüse er­ setzt werden.

Claims (5)

1. Gas-/Ölbrenner mit einer Brenngas-/Öldüse (1), die mittels einer Brenngas-/Ölzufuhrleitung mit Brenngas bzw. Öl versorgbar ist und aus der ein Brenngas-/Öl­ strahl abstrahlbar ist, und einer Zerstäuberdüse (2), die stromab der Brenngas-/Öldüse (1) angeordnet und mit­ tels einer Gaszufuhrleitung (7) mit verdichtetem Zerstäu­ bergas versorgbar ist und in der ein sich in Strömungs­ richtung erweiternder Düsenraum ausgebildet ist, in dem der Brenngas-/Ölstrahl und das Zerstäubergas durchmisch­ bar und der entstehende Brenngas/Zerstäubergas- bzw. Öl/ Zerstäubergasstrom mit einem Drall beaufschlagbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zerstäuberdüse (2) Gas­ abstrahlkanäle (6) ausgebildet sind, die in unterschied­ lichen Richtungen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des aus der Brenngas-/Öldüse (1) austretenden Brenngas-/Ölstrahls angeordnet sind, deren Längsachsen einen Abstand zur Haupt­ strömungs- bzw. Mittelachse (5) des Brenngas-/Ölstrahls auf­ weisen und deren gesamter Strömungsquerschnitt ausreichend groß ist, um die für den Verbrennungsvorgang erforderliche Verbrennungsluft mit dem bzw. als Zerstäubergas durch die Gasabstrahlkanäle (6) in den Düsenraum der Zerstäuberdüse (2) abzustrahlen.

2. Gas-/Ölbrenner nach Anspruch 1, bei dem ein ihn ofen­ seitig koaxial umgebendes Flammrohr (9) an einem nahe seinem Befestigungsabschnitt (11) und stromauf des eigentlichen Verbrennungsbereichs des Brenners angeordneten Umfangsab­ schnitt mit mehreren in Umfangsrichtung des Flammrohres (9) zueinander beabstandeten Radialdurchlässen (12) ausgebildet ist.

3. Gas-/Ölbrenner nach Anspruch 2, bei dem in der Gaszufuhr­ leitung (7) stromab des Befestigungsabschnitts (11) des Flammrohres (9) Durchlaßbohrungen (15) ausgebildet sind.

4. Gas-/Ölbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem koaxial zum vorzugsweise aus Siliciumkarbid ausgebil­ deten Flammrohr (9) innerhalb desselben ein Quarzrohr ange­ ordnet ist.

5. Gas-/Ölbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Brenngas-/Öldüse (1) mittels eines in Strömungsrichtung vorgespannten Spannrohres (19) in Anlage an die Zerstäuber­ düse (2) drückbar ist.