DE4301840A1 - Gasbrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasbrenner für Öfen und Feuerungsanlagen. Derartige Gasbrenner, die zum Beispiel mit Erdgas, Flüssiggas oder Schwachgas gefeuert werden, können unter anderem in Öfen der keramischen Industrie (zum Bei­ spiel bei Herdwagenöfen, Kammeröfen, Tunnelöfen), in Öfen der Eisen- und Stahlindustrie (zum Beispiel Schmelzöfen, Schachtöfen), aber auch in Trocknern eingesetzt werden.

Aus der Praxis sind Gasbrenner der gattungsgemäßen Art be­ kannt, die folgende Merkmale aufweisen:

• - ein mittiges Gaszuführrohr,
• - ein Brennerrohr, das mit Abstand konzentrisch zum Gaszu­ führrohr verläuft,
• - wobei das Brennerrohr das Gaszuführrohr in Strömungsrich­ tung des Gases überragt,
• - in dem zwischen dem Gaszuführrohr und dem Brennerrohr aus­ gebildeten Ringraum zur Zuführung von Verbrennungsluft ist eine radial zum Gaszuführrohr verlaufende Scheibe angeordnet,
• - die Scheibe weist eine Vielzahl von Durchbrechungen auf, durch die die Verbrennungsluft strömt,
• - an dem in Strömungsrichtung stirnseitigen Ende des Gas­ zuführrohrs sind radiale Öffnungen angeordnet, aus denen das Gas mehr oder weniger senkrecht zur Strömungsrichtung der Verbrennungsluft strömt.

Bei diesen Brennern ergeben sich folgende Probleme: Wird der Brenner im kalten Zustand angefahren, wird nur relativ wenig Verbrennungsluft benötigt und diese durchströmt die Durch­ brechungen der Scheibe im Ringkanal mehr oder weniger laminar. Trotz der senkrecht zur Verbrennungsluft austre­ tenden Gasströmung gelingt es dabei in vielen Fällen nicht, eine intensive Durchmischung des Verbrennungsgases mit der Verbrennungsluft zu erreichen. Als Folge tritt eine erheb­ liche Verkokung im Bereich der Gasaustrittsöffnungen auf, die bis zur Funktionsuntüchtigkeit der Brenner führen kann.

Durch schräg zur Anströmrichtung der Verbrennungsluft ver­ laufende Durchbrechungen in der Scheibe wird zwar eine gewisse Drallwirkung auf die Verbrennungsluft ausgeübt, die Durchmischung mit dem Verbrennungsgas ist aber nach wie vor im Kaltzustand unbefriedigend. Eine Erhöhung der Strömungs­ geschwindigkeit der Verbrennungsluft oder die Zufuhr größerer Mengen von Verbrennungsluft scheidet deshalb aus, weil hierdurch überschüssige Luft und damit überschüssiger, unverbrannter Sauerstoff in den Ofen eingebracht wird. Zum Beispiel zum Brennen keramischer Teile ist es jedoch not­ wendig, eine bestimmte Ofenatmosphäre und damit einen be­ stimmten h-Wert einzuhalten.

Nach einer gewissen Anfahrzeit des Brenners wird anstelle von kalter Verbrennungsluft vorgewärmte Verbrennungsluft zugeführt. Das durch die Vorwärmung erhöhte Volumen der Verbrennungsluft (bei 500°C steigt das Volumen der Ver­ brennungsluft bereits um den Faktor 2,6) führt zwar zu einer verbesserten Durchmischung der Verbrennungsluft mit dem Gas, aufgrund der erhöhten Luftmenge und Strömungsgeschwindigkeit kommt es dann jedoch zu einer erheblichen Lärmbelästigung beim Durchströmen der Verbrennungsluft entlang der Durch­ trittsöffnungen der Scheibe, insbesondere wenn die Durch­ brechungen zur Einströmrichtung der Verbrennungsgase schräg­ gestellt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasbrenner der vorgenannten Art zur Verfügung zu stellen, der - insbe­ sondere im periodischen Betrieb - auch beim Anfahren des Brenners zu einer möglichst vollständigen Durchmischung der Verbrennungsluft mit dem Verbrennungsgas führt, ohne die Strömungsgeschwindigkeit der kalten Verbrennungsluft oder deren Menge erhöhen zu müssen. Dabei sollen gleichzeitig die eingangs genannten Verkokungserscheinungen im Bereich der Brennerspitze vermieden werden.

Ausgehend von dem Grundsatz, daß eine optimale Vermischung von Verbrennungsluft und Verbrennungsgas zu einer optimalen Verbrennung führt, liegt der Erfindung die Erkenntnis zu­ grunde, daß dieses Ziel dadurch erreicht werden kann, daß einerseits ein ausreichender Durchströmungsquerschnitt der Verbrennungsluft durch die Scheibe sichergestellt wird und andererseits das aus den Gasaustrittsöffnungen des Gaszu­ führrohres austretende Gas unmittelbar in den Verbrennungs­ luftstrom geführt wird.

Überraschend wurde festgestellt, daß durch diese beiden, konstruktiv relativ einfachen Maßnahmen, eine wesentliche Optimierung des Wirkungsgrades des Brenners und ein deutlich verbessertes Betriebsverhalten insbesondere auch beim An­ fahren des Brenners erreichbar ist.

Danach schlägt die Erfindung in ihrer allgemeinsten Aus­ führungsform einen Gasbrenner für Öfen und Feuerungsanlagen mit folgenden Merkmalen vor:

• - einem mittigen Gaszuführrohr,
• - um das Gaszuführrohr verläuft mit Abstand ein Brennerrohr,
• - in dem zwischen Gaszuführrohr und Brennerrohr ausgebildeten Ringraum zur Zuführung von Verbrennungsluft ist eine radial zum Gaszuführrohr verlaufende Scheibe angeordnet,
• - die Scheibe weist eine Vielzahl von Durchbrechungen in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft auf,
• - die Querschnittsfläche der Durchbrechungen beträgt min­ destens 50% der Querschnittsfläche der Scheibe,
• - das gasaustrittsseitige Ende des Gaszuführrohres ist so ausgebildet, daß das über eine Vielzahl von Gasaustritts­ öffnungen austretende Gas unmittelbar in den Verbrennungs­ luftstrom geführt wird.

Nach einer Ausführungsform sind die Gasaustrittsöffnungen (an dem in Strömungsrichtung stirnseitigen Ende des Gas­ zuführrohrs; also - in Strömungsrichtung des Gases - hinter der Scheibe) auf einem gedachten Kreisring angeordnet. Hier­ durch wird eine gleichmäßige radiale Ausströmung des Ver­ brennungsgases sichergestellt. Dies ist deshalb wichtig, weil auch die Durchbrechungen in der Scheibe in statistischer Verteilung über deren gesamte Querschnittsfläche verteilt sind. Auf diese Weise wird nicht nur eine in Umfangsrichtung betrachtet gleichmäßige Strömung der Verbrennungsluft, son­ dern auch eine gleichmäßige Kontaktierung mit dem Verbren­ nungsgas erreicht.

Um das Gas unmittelbar in den Verbrennungsluftstrom zu füh­ ren, sieht eine Ausführungsform der Erfindung vor, die Gas­ austrittsöffnungen als radial nach außen vom Gaszuführrohr abstehende Düsen auszubilden. Hierdurch wird das Gas mitten in den - axial zum Brennerrohr - strömenden Verbrennungs­ luftstrom eingeführt, wodurch eine optimale Vermischung er­ reichbar ist.

Mit anderen Worten: die Düsen (beziehungsweise deren gas­ austrittsseitiges Ende) ragen in den Ringraum zwischen Gas­ zuführrohr und Brennerrohr hinein.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Düsen - in Strömungsrichtung des Gases betrachtet - unter einem Winkel zwischen < 20 und < 90° verlaufen. Auf diese Weise wird das Gas nicht senkrecht zur Strömungsrichtung der Verbrennungs­ luft geführt, sondern - unter einem gewissen Winkel - in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft. Auf diese Weise wird die Durchmischung zusätzlich erhöht und die Strömungsrichtung nicht unterbrochen. Dadurch wird die Ausbildung einer opti­ malen Brennerflamme begünstigt.

Es ist selbstverständlich - und wird deshalb hier nicht wei­ ter erläutert -, daß im Bereich der Gasaustrittsöffnungen ein entsprechender Zünder angeordnet ist, um den Brenner in Betrieb setzen zu können. Darüber hinaus können in diesem Bereich Sonden zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der Verbrennungsluft angeordnet sein.

Die Durchbrechungen in der Scheibe können als Löcher oder als nach außen offene Schlitze, die umfangsseitig vom Bren­ nerrohr abgedeckt sind, ausgebildet werden.

Bei der letztgenannten Konfiguration ist es vorteilhaft, die Düsen bis in den Querschnittsbereich der Durchbrechungen zu verlängern, um das Gas wiederum unmittelbar in den Ver­ brennungsluftstrom zu führen.

Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Brenners liegt auch darin, daß die Querschnittsfläche der Durch­ brechungen mindestens 50% der Querschnittsfläche der Scheibe beträgt. Auf diese Weise wird die Zuführung einer ausreichenden Menge an Verbrennungsluft bei reduzierter Strömungsgeschwindigkeit sichergestellt.

Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, die Durchbre­ chungen in der Scheibe unter einem Winkel zur Strömungs­ richtung der Verbrennungsluft vor der Scheibe (Einström­ richtung der Verbrennungsluft) anzuordnen. Im Gegensatz zum Stand der Technik kann dieser Winkel jedoch auf Werte zwi­ schen 1 und 30° beschränkt werden.

Eine gleichmäßige Durchmischung der Verbrennungsluft mit dem Verbrennungsgas wird dadurch begünstigt, wenn die geome­ trische Gestaltung der Scheibe, des gasaustrittsseitigen (stirnseitigen) Endes des Gaszuführrohres und/oder des Brennerrohrs rotationssymmetrisch ist. Auf diese Weise werden über den gesamten Querschnitt des Ringraums gleiche Verhältnisse eingestellt.

Für den Brennerbetrieb ist es weiter von Wichtigkeit, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Verbrennungsgases über der der Verbrennungsluft liegt.

Anwendungsspezifisch bietet die Erfindung in einer Ausfüh­ rungsform den weiteren Vorteil, daß der Abstand zwischen der Austrittsstelle des Gases aus dem Gaszuführrohr und der - in Strömungsrichtung des Gases - davorliegenden Scheibe ein­ stellbar ausgebildet ist. Konkret wird dies in einer Aus­ führungsform dadurch erreicht, daß die Scheibe auf dem Gas­ zuführrohr in axialer Richtung verstellbar angeordnet werden kann. Hierzu können auf dem Gaszuführrohr entsprechende Rasterungen vorgesehen werden. Im einfachsten Fall wird die Scheibe beziehungsweise ihr innenseitiger Rand auf dem Gas­ zuführrohr festgeschraubt. Der Abstand zwischen der Aus­ trittsstelle des Gases (aus den Düsen) und der Scheibe liegt dabei üblicherweise zwischen 2 und 10 cm.

Schließlich schlägt die Erfindung eine Ausführungsform des Gasbrenners vor, bei dem das Brennerrohr - wiederum in Strömungsrichtung des Gases betrachtet - hinter den Düsen (der Austrittsstelle des Gases) eine Querschnittsverjüngung aufweist, an die sich ein Abschnitt des Brennerrohrs mit größerem Querschnitt anschließt. Auf diese Weise wird das Gemisch aus Verbrennungsluft und Verbrennungsgas radial nach innen geführt, wobei eine weitere Durchmischung erreicht wird. Gleichzeitig wird der Brenner selbst gegenüber dem Ofeninnenraum durch das sich verjüngende Brennerrohr ge­ schützt. Dies ist insbesondere in Hinblick auf Anwendungen wichtig, wo im Ofen- oder Feuerungsraum besonders hohe Tem­ peraturen, beispielsweise über 2000°C, herrschen, da die einzelnen Brennerteile, wie das Gaszuführrohr, die Scheibe oder die Düsen aus metallischen und damit thermisch empfind­ lichen Werkstoffen hergestellt werden. Soweit vorstehend von einem Brennerrohr gesprochen wurde, kann dieses auch teil­ weise durch einen Brennerstein ersetzt werden.

Soweit dies gewünscht wird, können der gasaustrittsseitige Abschnitt des Gaszuführrohres sowie gegebenenfalls die Scheibe oder der vordere Abschnitt des Brennerrohrs aus keramischen, besonders thermisch beständigen Werkstoffen wie Siliciumnitrid hergestellt werden. Dabei bietet es sich an, die gasaustrittsseitige Spitze des Gaszuführrohres und die Scheibe als integrales Bauteil zu gestalten.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Merk­ malen der Unteransprüche sowie den sonstigen Anmeldungs­ unterlagen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispieles näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch den in Strö­ mungsrichtung vorderen Abschnitt eines erfindungs­ gemäßen Gasbrenners,

Fig. 2 eine Aufsicht auf den Brenner nach Fig. 1 im Bereich der Schnittlinie 2-2 nach Fig. 1.

Zu erkennen ist ein mittiges Gaszuführrohr 10. Das Gaszu­ führrohr 10 ist in Strömungsrichtung des Gases (Pfeil S) am vorderen Ende abgewinkelt ausgebildet und weist dort insge­ samt sechs Öffnungen 12 auf, in die radial nach außen ver­ laufende Düsen 14 eingesetzt sind.

Die einzelnen Düsen 14 sind - wie Fig. 2 zu entnehmen ist - mit gleichem Abstand auf einem Kreisring angeordnet.

Die Düsen 14 stehen in radialer Richtung über die Umfangs­ fläche des Gaszuführrohres 10 vor. Sinn und Zweck dieser geometrischen Anordnung werden nachstehend noch näher be­ schrieben.

Fig. 1 zeigt weiter, daß - in Pfeilrichtung S - vor dem Düsenkranz 14 eine ringförmige Scheibe 16 auf dem Gaszu­ führrohr 10 aufsitzt, die umfangsseitig von einem Brenner­ rohr 18, das konzentrisch zum Gaszuführrohr 10 verläuft, begrenzt wird.

Auf diese Weise wird zwischen Gaszuführrohr 10 und Brenner­ rohr 18 ein Ringraum 20 ausgebildet, durch den - in Pfeil­ richtung S Verbrennungsluft konzentrisch zum Verbrennungsgas zugeführt wird.

Aus der Zusammenschau der Fig. 1, 2 ergibt sich weiter, daß die Scheibe 16 eine Vielzahl (hier: 20) von Durchbre­ chungen 22 aufweist, die ebenfalls kranzförmig und mit glei­ chem Abstand zueinander rotationssymmetrisch auf der Scheibe 16 ausgebildet sind. Die Durchbrechungen 20 sind nach außen offen und werden dort vom Brennerrohr 18 überdeckt.

Weiter sind (hier insgesamt 8) axiale Durchbohrungen 24 in der Scheibe 16 angeordnet.

Konzentrisch zum Brennerrohr 18 verläuft ein Brennerstein 18′, der konstruktiv als Bestandteil des Brennerrohrs 18 gewertet wird.

Der Brennerstein 18′ verläuft vom freien Ende des Brenner­ rohrs 18 konisch sich verjüngend nach innen, es folgt dann ein zylindrischer Abschnitt. Danach erweitert sich der offene Querschnitt des Brennersteins 18′ wieder konisch, bevor ein weiterer zylindrischer Endabschnitt folgt.

Die Funktion des Brenners ist wie folgt:

Beim Kaltstart wird Verbrennungsgas in Pfeilrichtung S durch das Gaszuführrohr geführt, welches dann durch die kranz­ förmig angeordneten Düsen 14, die hier unter einem Winkel α von circa 45° zur Mittenlängsachse M angeordnet sind, ausströmt. Gleichzeitig wird Verbrennungsluft durch den Ringraum 20 in Pfeilrichtung S konzentrisch zum Gasstrom geleitet. Die Verbrennungsluft durchströmt die - wie sich Fig. 2 entnehmen läßt - geringfügig schräg zur Einström­ richtung der Verbrennungsluft gestellten Durchbrechungen 22 und Durchbohrungen 24 und wird dann - aufgrund des konisch sich verjüngenden Abschnitts des Brennersteins 18′ - nach innen gelenkt, wo es zu einer unmittelbaren Kontaktierung und Durchmischung mit dem durch die Düsen 14 ausströmenden Verbrennungsgas kommt.

Dadurch, daß die Düsen 14 bis in den Strom der Verbrennungs­ luft geführt sind, kommt es erfindungsgemäß zu einer opti­ malen Durchmischung des Verbrennungsgases mit der Verbren­ nungsluft und damit bereits in dieser Anlaufphase des Bren­ ners zu einer vollständigen Verbrennung unter Vermeidung jeglicher Verkokung.

Zum anfänglichen Zünden des Gas-/Verbrennungsluft-Gemisches ist - wie sich Fig. 2 entnehmen läßt - ein Zünder 26 im Be­ reich des ersten konischen Abschnittes des Brennersteins 18′ angeordnet.

Es entsteht so eine Verbrennungsflamme, die sich entlang des Brennersteins 18′ in Pfeilrichtung S ausbildet.

Im linken Abschnitt von Fig. 2 ist ferner eine Elektrode 28 zu erkennen, über die die Brennerflamme überwacht wird. Eine solche Elektrode gehört ebenfalls wie der Zünder zum Stand der Technik. Beide werden deshalb hier nicht näher beschrieben.

Bei fortgesetztem Brennerbetrieb wird anstelle der ursprüng­ lich verwendeten kalten Verbrennungsluft warme Verbrennungs­ luft zugeführt, wobei in gleicher Weise wie vorstehend be­ schrieben eine optimale Durchmischung der Verbrennungsluft mit dem Verbrennungsgas erfolgt. Durch die relativ großen Durchbrechungen 22 in der Scheibe 16 ist die Strömungsge­ schwindigkeit der Verbrennungsluft und damit der Lärm relativ gering.

Auf diese Weise arbeitet der Brenner über das gesamte Brenn­ intervall unter gleichen Verhältnissen, so daß der Brenner problemfrei auch im periodischen Betrieb verwendet werden kann.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Scheibe 16 in Pfeilrichtung S verstellbar angeordnet ist, so daß der Abstand zwischen der Scheibe 16 und dem Düsenkranz 14 anwendungsspezifisch eingestellt werden kann.

Claims (13)

1. Gasbrenner für Öfen und Feuerungsanlagen mit folgenden Merkmalen:

• 1.1 einem mittigen Gaszuführrohr (10),
• 1.2 um das Gaszuführrohr (10) verläuft mit Abstand ein Brennerrohr (18),
• 1.3 in dem zwischen Gaszuführrohr (10) und Brennerrohr (18) ausgebildeten Ringraum (20) zur Zuführung von Verbrennungsluft ist eine radial zum Gaszuführrohr (10) verlaufende Scheibe (16) angeordnet,
• 1.4 die Scheibe (16) weist eine Vielzahl von Durchbrechungen (22, 24) in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft auf,
• 1.5 die Querschnittsfläche der Durchbrechungen (22, 24) beträgt min­ destens 50% der Querschnittsfläche der Scheibe (16),
• 1.6 das gasaustrittsseitige Ende des Gaszuführrohrs (10) ist so ausgebildet, daß das über eine Vielzahl von Gasaustrittsöffnungen (22, 24) austretende Gas unmittelbar in den Verbrennungsluftstrom geführt wird.

2. Gasbrenner nach Anspruch 1, bei dem die Gasaustrittsöffnungen (22, 24) auf einem gedachten Kreisring angeordnet sind.

3. Gasbrenner nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Gasaustritts­ öffnungen (12) als radial nach außen vom Gaszuführrohr (10) abstehende Düsen (14) ausgebildet sind.

4. Gasbrenner nach Anspruch 3, bei dem die Düsen (14) - in Strö­ mungsrichtung des Gases betrachtet - unter einem Winkel zwischen <20 und <90 Grad verlaufen.

5. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Düsen (14) bis in den Querschnittsbereich der Durchbrechungen (22, 24) in der Scheibe (16) verlängert sind.

6. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Austrittsstelle des Gases aus den Düsen (14) zwischen 2 und 10 cm hinter der Scheibe (16) liegt, in Strömungsrichtung des Gases betrachtet.

7. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Durchbrechungen (22) in der Scheibe (16) unter einem Winkel zur Strömungsrichtung der Verbrennungsluft vor der Scheibe (16) angeordnet sind.

8. Gasbrenner nach Anspruch 7, bei dem der Winkel 1 bis 30 Grad beträgt.

9. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Brenner­ rohr (18) (der Brennerstein (18′)) das Gaszuführrohr (10) in Strömungsrichtung des Gases (S) überragt.

10. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Brennerrohr (18) (der Brennerstein (18′)) - in Strömungsrichtung des Gases betrachtet - hinter den Düsen (14) eine Querschnittsverjüngung aufweist, an die sich ein Abschnitt des Brennerrohrs (18) (Brennersteins (18′)) mit größerem Querschnitt anschließt.

11. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die geometrische Gestaltung der Scheibe (16), des gasaustritts­ seitigen Endes des Gaszuführrohrs (10) und/oder des Brennerrohrs (18) (des Brennersteins (18′)) rotationssymmetrisch ist.

12. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Scheibe (16) auf dem Gaszuführrohr in axialer Richtung verstellbar angeordnet ist.

13. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem das gas­ austrittsseitige Ende des Gaszuführrohres (10) und/oder die Scheibe (16) aus einem hochtemperaturbeständigen keramischen Werkstoff wie Siliciumnitrid besteht (bestehen).