DE4238529A1 - Brenner zur Heißgaserzeugung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner zur Heißgaserzeugung mit einem ein Stützrohr und ein sich daran anschließendes Flammrohr umfassenden Brennerrohr, mit einer im Stützrohr angeordneten Düse, aus welcher ein Brennstoffstrahl aus­ tritt, mit einer im Brennerrohr eine Vorkammer und eine Brennkammer voneinander trennenden Blende, die einen vom Brennstoffstrahl durchsetzten zentralen Durchlaß aufweist, und mit einem sich in Brennstoffstrahlrichtung an die Blende anschließenden Mischrohr, das in Umfangsrichtung mehrere Öffnungen aufweist.

Derartige Brenner werden beispielsweise als sogenannte Blaubrenner betrieben, bei denen Öl in der Düse zerstäubt wird und mit blauer Flamme vollständig verbrennt. Die blaue Flamme bewirkt eine nahezu stöchiometrische Ver­ brennung, so daß der Anteil an Schadstoffen wie beispiels­ weise Stickoxiden während des Betriebes des Brenners sehr gering gehalten werden kann.

Dies wird insbesondere dadurch erreicht, daß sich aufgrund der in Umfangsrichtung in das Mischrohr eingeformten Öffnungen eine Rezirkulation von Rauchgas ausbildet. Das hinter dem Mischrohr durch Verbrennung erzeugte Rauchgas strömt teilweise an der Außenseite des Mischrohres zurück und durch die Öffnungen hindurch wieder in den Bereich der Flamme.

Bei vorbekannten Brennern erfolgt allerdings nach dem Ab­ schalten eine zusätzliche Schadstoffemission, da aufgrund der Nacherwärmung der Düse nach Brennschlup noch Öl aus der Düse heraustritt und unvollständig verbrennt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Brenner der gattungsgemäßen Art die Schadstoffemission zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird bei einem Brenner der eingangs be­ schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Brennerrohr ein die Wärmeleitung von einem vom brennenden Brennstoffstrahl erhitzten Bereich des Flammrohrs zum Stützrohr reduzierendes Element umfaßt.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird also zwischen dem während des Betriebes des Brenners erhitzten Bereich des Flammrohrs und dem Stützrohr ein die Wärmeleitung reduzierendes Element angeordnet. Aufgrund des damit ver­ bundenen geringeren Wärmerückflusses vom heilen Bereich des Flammrohrs zur Düse wird die Nacherwärmung der Düse nach Brennschlup begrenzt und damit insbesondere die Schad­ stoffemission bei Brennschluß reduziert. Zusätzlich wird die Erwärmung des Stützrohres und der darin enthaltenen Teile begrenzt, so daß Probleme des Brenners vermieden werden, die mit einer starken Erhitzung dieser Teile ver­ bunden sind, beispielsweise eine ungleichmäßige thermische Ausdehnung der verwendeten Materialien.

Eine besonders vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, daß das die Wärmeleitung reduzierende Element in einem sich in Brennstoffstrahlrichtung an die Blende anschließenden Bereich des Brennerrohrs angeordnet ist. Durch die Anordnung des die Wärmeleitung reduzieren­ den Elementes in einen der Blende in Brennstoffstrahlrich­ tung benachbarten Bereich des Brennerrohrs wird der Wärme­ rückfluß vom heißen Bereich des Flammrohrs zur Blende reduziert, die damit eine geringere Nacherwärmung nach Brennschluß erfährt, wodurch wiederum die Nacherwärmung der Düse in starkem Umfang und zuverlässig begrenzt wird.

Eine konstruktiv besonders einfache Lösung sieht dabei vor, daß das die Wärmeleitung reduzierende Element einen in das Brennerrohr eingefügten Isolationsring umfaßt. Der Isolationsring bewirkt eine thermische Isolation des Stützrohres und der Blende vom heißen Bereich des Flamm­ rohres.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Isolationsring im Brennerrohr ange­ ordnete Stege und dazwischenliegende Isolationsring­ sektoren umfaßt. Diese Ausgestaltung der Erfindung hat den Vorteil, daß das Brennerrohr zur Befestigung des Isola­ tionsringes nicht vollständig aufgetrennt werden muß, sondern daß einzelne isolierende Ringsektoren zwischen im Brennerrohr angeordneten Stegen gehalten werden. Der Wärmerückfluß kann in diesem Fall nicht über den gesamten Umfang des Brennerrohrs sondern im wesentlichen nur über die Stege erfolgen, wodurch die Wärmeleitung zwischen dem heißen Bereich des Flammrohrs zum Stützrohr beträchtlich reduziert wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das die Wärmeleitung reduzierende Element aus einem einen hohen Wärmeleitungs­ widerstand aufweisenden Material, beispielsweise aus Keramik besteht.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß das die Wärmeleitung reduzierende Element in das Brennerrohr in Umfangsrichtung eingeformte Schlitze umfaßt, die durch Stege voneinander getrennt sind. Mit den umfangsmäßig in das Brennerrohr eingeformten Schlitzen wird zwischen dem erhitzten Bereich des Flammrohrs und dem Stützrohr ein Großteil des Materials des Brennerrohrs be­ seitigt, das einen Wärmeaustausch ermöglicht. Der Wärme­ fluß wird somit stark reduziert, da er lediglich über die noch vorhandenen Stege des Brennerrohrs erfolgen kann. Dabei ist es besonders günstig, wenn das die Wärmeleitung reduzierende Element maximal sechs Stege umfaßt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden vorzugsweise drei bis vier Stege verwendet.

Vorzugsweise beträgt die Stegbreite ungefähr 3 bis unge­ fähr 15% des Gesamtumfanges des Brennerrohrs. Besonders günstig ist es, wenn die Stegbreite ungefähr 5 bis unge­ fähr 10% des Gesamtumfanges des Brennerrohrs beträgt, da dadurch die Wärmeleitung besonders stark reduziert wird, ohne daß dabei die mechanische Stabilität des Brennerrohrs beeinträchtigt wird.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, daß die Schlitze bezogen auf die Brenn­ stoffstrahlrichtung in Höhe des Mischrohres in das Brennerrohr eingeformt sind und somit eine äußere Rezir­ kulation von ausgekühltem Rauchgas ermöglichen. Die in das Brennerrohr eingeformten Schlitze dienen somit zum einen dazu, den Wärmefluß zwischen dem erhitzten Bereich des Flammrohrs und dem Stützrohr zu reduzieren, und zum anderen ermöglichen sie eine Außenrezirkulation des Rauch­ gases. Das aus dem Mischrohr austretende, rezirkulierende Rauchgas teilt sich somit auf in einen Anteil, der an der Außenseite des Mischrohres und innerhalb des Flammrohres zwischen dem Mischrohr und dem Flammrohr zurück zu den Umfangsöffnungen des Mischrohres verläuft und dort wieder in das Mischrohr eintritt, und einem zweiten Anteil, der in Brennstoffstrahlrichtung aus dem Flammrohr austritt, anschließend an der Außenseite des Flammrohrs zurückver­ läuft, von den Kesselwandungen abgekühlt wird und durch die Schlitze in den Bereich der inneren Rezirkulation ein­ tritt. Damit wird dem innen rezirkulierenden Abgasstrom gleichförmig ausgekühltes Rauchgas aus einer Außenrezirku­ lation zugemischt. Die Zumischung von ausgekühltem Rauch­ gas aus der Außenrezirkulation bewirkt eine zusätzliche Reduzierung der Stickoxidemission des Brenners. Außerdem senkt die Zumischung von ausgekühltem Rauchgas die Ver­ brennungstemperatur, so daß das Flammrohr weniger heiß wird, was zusätzlich den Wärmefluß in die Düse verringert.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Mischrohr in einem der Blende benachbarten Bereich mit Umfangsöffnungen versehen ist und die Schlitze bezogen auf die Brennstoffstrahlrichtung in Höhe der Umfangsöffnungen des Mischrohres in das Brennerrohr eingeformt sind. Somit befinden sich sowohl die in das Brennerrohr eingeformten Schlitze als auch die Umfangsöffnungen des Mischrohres in Brennstoffstrahlrichtung unmittelbar hinter der Blende, so daß das rezirkulierende Rauchgas besonders effektiv und gleichförmig dem Brennstoffstrahl und dem damit verbun­ denen Brennluftstrom zugemischt wird. Da sich die in das Brennerrohr eingeformten Schlitze im wesentlichen über den gesamten Umfang des Brennerrohrs erstrecken, wird das rezirkulierende Rauchgas im wesentlichen entlang des ge­ samten Umfanges des Brennerrohrs kreisringförmig und damit besonders gleichmäßig dem Brennluftstrom zugemischt. Die Gleichmäßigkeit der Zumischung bewirkt eine besonders effektive Reduzierung der Stickoxidemission und damit im Zusammenhang mit der aufgrund der reduzierten Wärmeleitung zwischen dem erhitzten Bereich des Flammrohrs und dem Stützrohr erheblich verringerten Schadstoffemission bei Brennschluß einen besonders abgasarmen Brenner.

Zur Reduzierung der Wärmeleitung ist für die in das Brennerrohr umfangsmäßig eingeformten Schlitze nur eine sehr schmale Ausdehnung in Brennstoffstrahlrichtung not­ wendig. Diese Ausdehnung entspricht im wesentlichen der entsprechenden Ausdehnung der in das Mischrohr eingeform­ ten Umfangsöffnungen, maximal beträgt die Ausdehnung der Schlitze in Brennstoffstrahlrichtung ungefähr 0,1 bis 0,4 mm, insbesondere ungefähr 0,25 mm je Kilowatt Brenner­ leistung. Damit ist ein weiterer Vorteil der erfindungs­ gemäßen Lösung verbunden, denn es ist besonders günstig, wenn beim Starten des Brenners eine Unterdrückung der äußeren Rezirkulation bis zur Ausbildung einer stabilen Verbrennung erfolgt, beispielsweise mit Hilfe eines die Schlitze im Brennerrohr überdeckenden Schiebers, der nach Ende der Startphase des Brenners soweit in Brennestoffstrahlrichtung verschoben wird, daß er die in das Brennerrohr eingeformten Schlitze freigibt. Aufgrund der geringen Ausdehnung der Schlitze in Brenn­ stoffstrahlrichtung sind somit nur sehr geringe Hubbewe­ gungen des Schiebers zum Freigeben bzw. Schließen der Schlitze erforderlich. Dies ermöglicht eine besonders einfache und leicht zu betätigende Konstruktion des Schiebers.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Schieber innerhalb des Brennerrohrs angeordnet ist. Diese Anordnung des Schiebers bedingt, daß dieser ungefähr denselben Temperaturen ausgesetzt ist wie das Brennerrohr, wodurch unterschiedliche thermische Aus­ dehnungen und damit verbunden mechanische Verspannungen verhindert werden, so daß eine Funktionsbeeinträchtigung des Schiebers vermieden wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Schieber über durch das Stützrohr geführte Betätigungselemente verschiebbar ist, denn dadurch werden diese der durch das Stützrohr strömenden kühlen Brennluft ausgesetzt und somit von den an der Düse herrschenden hohen Temperaturen abgeschirmt.

Eine konstruktiv besonders einfache und kostengünstige Lösung sieht vor, daß der Schieber einen ringförmigen Mantel aufweist und in axialer Richtung verschiebbar ist. Dabei ist es besonders günstig, wenn der Schieber an der Innenseite des Flammrohres geführt ist, da damit keine zusätzlichen Maßnahmen zur axialen Führung des Schiebers notwendig sind.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsfor­ men der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungs­ beispiel eines erfindungsgemäßen Brenners und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausfüh­ rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brenners.

In Fig. 1 ist ein Brennerrohr 10 dargestellt, welches ein Stützrohr 12 umfaßt, an das sich ein Flammrohr 14 an­ schließt. Das Stützrohr 12 wird von einem in der Zeichnung nicht dargestellten Brennergehäuse gehalten. Im Stützrohr 12 ist eine Vorkammer 16 angeordnet, die sich bis zu einer Blende 18 erstreckt, welche eine Trennwand zwischen der Vorkammer 16 und einer Brennkammer 20 bildet, die im wesentlichen im Flammrohr 14 angeordnet ist. Die Blende 18 ist im Stützrohr 12 zentriert gehalten und am Übergang vom Stützrohr 12 zum Flammrohr 14 positioniert. An die Blende 18 ist ein äußerer Ringflansch 22 angeformt, der mit seiner der Brennkammer 20 zugewandten Seite an einem Isolierring 24 anliegt, welcher für eine thermische Isolation zwischen dem Flammrohr 14 und dem Ringflansch 22 sorgt.

In der Vorkammer 16 ist ein Düsenstock 27 mit einer Düse 28 angeordnet, wobei diese Düse 28 vorzugsweise koaxial zu einer Mittelachse 30 des Brennerrohrs 10 ausgerichtet ist. Der Düsenstock 27 hält mit einem Dreibein 32 die Blende 18.

Die Düse 28 weist einen Auslaß 34 auf, welcher in Richtung der Mittelachse 30 mit geringem Abstand stromaufwärts einer der Vorkammer 16 zugewandten Oberfläche 36 der Blende 18 angeordnet ist. Aus diesem Auslaß 34 tritt ein Brennstoffstrahl 38 aus, welcher einen zentralen Durchlaß 39 der Blende 18 durchsetzt und sich in der Brennkammer 20 innerhalb des Flammrohres 14 stromabwärts der Blende 18 ausbreitet.

Innerhalb der Brennkammer 20 schließt sich an die Blende 18 ein Mischrohr 40 an, welches im Anschlup an die Blende 18 mit Umfangsöffnungen 42 versehen ist, durch welche hin­ durch eine innere Rezirkulation 54 von Rauchgas von einem innerhalb des Mischrohres liegenden Mischraum 44 über einen zwischen dem Mischrohr 40 und dem Flammrohr 14 gelegenen Rezirkulationsraum 46 zurück in den Mischraum 44 erfolgt.

Dem Mischraum 44 wird zusätzlich aus der Vorkammer 16 Brennluft über um den Durchlaß 39 herum angeordnete Öffnungen 48 in der Blende 18 zugeführt, welche vorzugs­ weise auf ihrer der Vorkammer 16 zugewandten Seite ange­ phast sind und somit zu einer Geräuschminderung des Brenners beitragen.

In das Flammrohr 14 sind in Umfangsrichtung bezogen auf die Brennstoffstrahlrichtung in Höhe der Umfangsöffnungen 42 des Mischrohres 40 Schlitze 50 eingeformt, die durch vorzugsweise drei bis vier Stege 52 mit einer Stegbreite von vorzugsweise ungefähr 5 bis ungefähr 10% des Gesamtum­ fanges des Brennerrohres 10 voneinander getrennt sind.

Die Schlitze 50 ermöglichen zum einen eine äußere Rezirku­ lation 56 von Rauchgas, indem dieses ausgehend aus dem Mischraum 44 aus dem Mischrohr 40 und über eine in der Zeichnung nicht dargestellte, der Blende 18 abgewandte Öffnung des Flammrohres 14 aus dem Flammrohr 14 heraus­ tritt, dieses auf einer Außenseite des Flammrohrs 14 um­ strömt, dabei von nicht dargestellten gekühlten Kessel­ wänden abgekühlt wird und durch die Schlitze 50 hindurch in den Rezirkulationsraum 46 und von dort über die Um­ fangsöffnungen 42 des Mischrohres 40 zurück in den Misch­ raum 44 strömt. Zum anderen wird durch die Schlitze 50 der Wärmefluß von einem während des Betriebes des Brenners erhitzten Bereich des Flammrohres 14 zum Stützrohr 12 be­ trächtlich reduziert, da der Wärmefluß lediglich über die wenigen Stege 52, die eine relativ geringe Ausdehnung in Umfangsrichtung aufweisen, erfolgen kann. Somit wird eine Nacherwärmung des Stützrohres 12 und der Blende 18 und damit über das Dreibein 32 auch eine Nacherwärmung der Düse 28 nach Abschalten des Brenners beträchtlich redu­ ziert und die Schadstoffemission nach Brennschluß ver­ ringert.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt. Dieses ist insoweit, als es mit dem ersten Ausführungsbei­ spiel identische Teile aufweist, mit denselben Bezugs­ zeichen versehen, so daß hierzu auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel in Fig. 1 vollinhaltlich Bezug genommen wird.

Das zweite Ausführungsbeispiel weist zusätzlich zur Unter­ drückung der äußeren Rezirkulation 56 einen an einer Innenseite 58 des Flammrohres 14 mit einem ringförmigen Mantel 60 anliegenden Schieber 62 auf. Dieser Schieber 62 ist so in Richtung der Mittelachse 30 verschiebbar, daß er die Schlitze 50 wahlweise überdeckt bzw. freigibt, wodurch während des Startens des Brenners die äußere Rezirkulation 56 bis zur Ausbildung einer stabilen Verbrennung unter­ drückt werden kann.

Der Schieber 62 wird über ein durch Öffnungen 64 der Blende 18 und durch die Vorkammer 16 geführtes Gestänge 66 mit Hilfe einer in der Zeichnung nicht dargestellten Linearverschiebungseinheit betätigt.

Während der Startphase des Brenners läßt sich der Schieber 62 mit seinem Mantel 60 vor die Schlitze 50 bewegen und unterdrückt somit die äußere Rezirkulation 56 in den Re­ zirkulationsraum 46 und den Mischraum 44, so daß der Brenner in der Startphase stabil brennt. Nach Beendigung der Startphase wird der Schieber 62 mit Hilfe der in der Zeichnung nicht dargestellten Linearverschiebungseinheit und mit Hilfe des Gestänges 66 in Richtung von der Blende 18 weg in Brennstoffstrahlrichtung verschoben, so daß er die Schlitze 50 freigibt und damit eine äußere Rezirku­ lation 56 erfolgen kann. Aufgrund der geringen Ausdehnung der Schlitze 50 in Brennstoffstrahlrichtung sind zum Über­ decken bzw. Freigeben der Schlitze 50 nur geringe Hubbewe­ gungen des Schiebers 62 erforderlich.

Claims (16)

1. Brenner zur Heißgaserzeugung mit einem ein Stützrohr und ein sich daran anschließendes Flammrohr umfassen­ den Brennerrohr, mit einer im Stützrohr angeordneten Düse, aus welcher ein Brennstoffstrahl austritt, mit einer im Brennerrohr eine Vorkammer und eine Brenn­ kammer voneinander trennende Blende, die einen vom Brennstoffstrahl durchsetzten zentralen Durchlaß auf­ weist, und mit einem sich in Brennstoffstrahlrichtung an die Blende anschließenden Mischrohr, das in Um­ fangsrichtung mehrere Öffnungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennerrohr (10) ein die Wärmeleitung von einem vom brennenden Brennstoffstrahl (38) erhitzten Bereich des Flammrohrs (14) zum Stützrohr (12) reduzierendes Element umfaßt.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Wärmeleitung reduzierende Element in einem sich in Brennstoffstrahlrichtung an die Blende (18) anschließenden Bereich des Brennerrohres (10) ange­ ordnet ist.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das die Wärmeleitung reduzierende Element einen in das Brennerrohr (10) eingefügten Isolations­ ring umfaßt.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolationsring im Brennerrohr angeordnete Stege (52) und dazwischenliegende Isolationsringsektoren umfaßt.

5. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die Wärmeleitung reduzierende Element aus einem einen hohen Wärme­ leitungswiderstand aufweisenden Material besteht.

6. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das die Wärmeleitung redu­ zierende Element aus Keramik hergestellt ist.

7. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die Wärmeleitung reduzierende Element in das Brennerrohr (10) in Um­ fangsrichtung eingeformte Schlitze (50) umfaßt, die durch Stege (52) voneinander getrennt sind.

8. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das die Wärmeleitung reduzierende Element maximal sechs, vorzugsweise drei bis vier Stege (52) umfaßt.

9. Brenner nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stegbreite ungefähr 3 bis ungefähr 15%, vorzugsweise ungefähr 5 bis ungefähr 10% des Gesamt­ umfanges des Brennerrohres (10) beträgt.

10. Brenner nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (50) bezogen auf die Brennstoffstrahlrichtung in Höhe des Mischrohres (40) in das Brennerrohr (10) eingeformt sind und somit eine äußere Rezirkulation (56) von ausgekühltem Rauchgas ermöglichen.

11. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischrohr (40) in einem der Blende (18) benach­ barten Bereich mit Umfangsöffnungen (42) versehen ist und die Schlitze (50) bezogen auf die Brennstoff­ strahlrichtung in Höhe der Umfangsöffnungen (42) in das Brennerrohr (10) eingeformt sind.

12. Brenner nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schlitze (50) während der Start­ phase des Brenners zur Unterdrückung der äußeren Rezirkulation (56) von ausgekühltem Rauchgas von einem Schieber (62) überdeckbar sind.

13. Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (62) einen ringförmigen Mantel (60) auf­ weist und in axialer Richtung verschiebbar ist.

14. Brenner nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schieber (62) innerhalb des Brennerrohrs (10) angeordnet ist.

15. Brenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (62) über durch das Stützrohr (12) geführte Betätigungselemente (66) verschiebbar ist.

16. Brenner nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (62) an einer Innenseite (58) des Flamm­ rohres (14) geführt ist.