DE4301840C2 - Gasbrenner für Öfen und Feuerungsanlagen - 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 Beispiel bei Herdwagenöfen, Kammeröfen, Tunnelöfen), in Öfen der Eisen- und Stahlindustrie (zum Beispiel Schmelzöfen, Schachtöfen), aber auch in Trocknern eingesetzt werden.

Aus der EP 347 956 A1 ist ein Gasbrenner bekannt, der folgende Merkmale aufweist:

• - ein mittiges Gaszuführrohr,
• - ein Brennerrohr, das mit Abstand konzentrisch zum Gaszu­ führrohr verläuft und an das sich ein Brennerstein anschließt,
• - in dem zwischen dem Gaszuführrohr und dem Brennerrohr aus­ gebildeten Ringraum zur Zuführung von Verbrennungsluft ist eine radial zum Gaszuführrohr verlaufende Scheibe angeordnet, die gleichzeitig das Gaszuführrohr stirnseitig abdeckt,
• - die Scheibe weist eine Vielzahl von Durchbrechungen auf, durch die die Verbrennungsluft und das Gas strömen.

Wird dieser Brenner im kalten Zustand angefahren, wird nur relativ wenig Verbrennungsluft benötigt und diese durchströmt als Kaltluft die Durch­ brechungen der Scheibe im Ringkanal mehr oder weniger laminar. Dabei gelingt es in vielen Fällen nicht, eine intensive Durchmischung des Verbrennungsgases mit der Verbrennungsluft zu erreichen. Als Folge tritt eine Verkokung im Bereich der Gasaustrittsöffnungen auf, die bis zur Funktionsuntüchtigkeit des Brenners 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 auch bei dessen über einen Kranz von Öffnungen mit leichter Radialkomponente erfolgendem Austritt im Kaltzustand unbefriedigend. Es entstehen nämlich Toträume hinter der Scheibe, so daß das Gas nicht unmittelbar in den Verbrennungsluftstrom führbar ist. Eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft ist nicht gewünscht. Die Zufuhr größerer Mengen von Verbrennungsluft scheidet aus, weil hierdurch überschüssige Luft und damit überschüssiger, unverbrannter Sauerstoff in den Ofen eingebracht wird. Zum Beispiel zum Brennen keramischer Teile ist es nämlich not­ wendig, eine bestimmte Ofenatmosphäre und damit ein bestimmtes Luftverhältnis 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 jedoch zu einer erheblichen Lärmbelästigung beim Durchströmen der Verbrennungsluft entlang der Durch­ brechungen der Scheibe, insbesondere wenn die Durchbrechungen zur Einströmrichtung der Verbrennungsgase schräggestellt sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Gasbrenner für Öfen und Feuerungsanlagen der vorgenannten Art zur Verfügung zu stellen, der - insbesondere im periodischen Betrieb - auch beim Anfahren des Brenners zu einer weitgehend vollständigen Durchmischung der noch kalten Verbrennungsluft mit dem Verbrennungsgas bei geringer Lärmbelästigung führt, ohne daß die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft oder deren Menge erhöht werden muß und ohne daß Verkokungserscheinungen im Bereich der Brennerspitze auftreten.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung daher einen Gasbrenner für Öfen und Feuerungsanlagen mit den Merkmalen des Hauptanspruchs vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Merkmalen der Unteransprüche beschrieben.

Ausgehend von dem Grundsatz, daß eine optimale Vermischung von Verbrennungsluft und Verbrennungsgas zu einer optimalen Verbrennung führt, liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, 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 Gaszuführrohres austretende Gas beabstandet zur Ringscheibe und nach außen gerichtet und somit unmittelbar in den Verbrennungsluftstrom geführt wird. Durch die vorgeschlagene Querschnittsfläche der Durchbrechungen wird die Zuführung einer ausreichenden Menge an Verbrennungsluft bei reduzierter Strömungsgeschwindigkeit sichergestellt.

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

Durch diese beiden konstruktiv relativ einfachen Maßnahmen ist eine Optimierung des Wirkungsgrades des Brenners und ein deutlich verbessertes Betriebsverhalten insbesondere auch beim Anfahren des Brenners erreichbar.

Bei der erfindungsgemäßen allgemeinsten Ausführungsform sind die Gasaus­ trittsöffnungen (an dem in Strömungsrichtung stirnseitigen Ende des Gas­ zuführrohrs; also - in Strömungsrichtung des Gases - hinter der Ringscheibe) auf einem gedachten Kreisring angeordnet. Hierdurch wird eine gleichmäßige, weitgehend radiale Ausströmung des Ver­ brennungsgases sichergestellt, zumal auch die Durchbrechungen in der Ringscheibe in statistischer Verteilung über deren gesamte Querschnittsfläche verteilt sind. Auf diese Weise wird nicht nur eine in Umfangsrichtung betrachtet gleichmäßige Strömung der Verbrennungsluft, sondern auch eine gleichmäßige Kontaktierung mit dem Verbrennungsgas erreicht.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die Gas­ austrittsöffnungen in radial nach außen vom Gaszuführrohr abstehenden Düsen auszubilden. Hierdurch wird das Gas über die in den Ringraum zwischen Gaszuführrohr und Brennerrohr hineinragenden Düsen mitten in den - axial zum Brennerrohr - strömenden Verbrennungs­ luftstrom eingeführt, wodurch eine optimale Vermischung er­ reichbar ist.

Die Durchbrechungen in der Ringscheibe können als Löcher oder als nach außen offene Schlitze, die umfangsseitig vom Brennerrohr 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.

Es ist auch vorteilhaft, die Durchbrechungen in der Ringscheibe unter einem Winkel zur Strömungsrichtung der Verbrennungsluft vor der Ringscheibe (Einströmrichtung der Verbrennungsluft) anzuordnen. Im Gegensatz zum Stand der Technik kann dieser Winkel jedoch auf Werte zwischen 1 und 30° beschränkt werden.

Die geometrische Gestaltung der Ringscheibe, des gasaustrittsseitigen (stirnseitigen) Endes des Gaszuführrohres und/oder des Brennerrohrs kann rotationssymmetrisch sein.

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 Ringscheibe ein­ stellbar ausgebildet ist. Konkret wird dies in einer Aus­ führungsform dadurch erreicht, daß die Ringscheibe 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 Ring­ scheibe beziehungsweise ihr innenseitiger Rand auf dem Gas­ zuführrohr festgeschraubt. Der Abstand zwischen der Aus­ trittsstelle des Gases (aus den Düsen) und der Ringscheibe liegt dabei 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 geschützt. 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 Ringscheibe oder die Düsen aus metallischen und damit thermisch empfindlichen Werkstoffen hergestellt werden. Soweit vorstehend von einem Brennerrohr gesprochen wurde, kann dieses auch teilweise durch einen Brennerstein ersetzt werden.

Der gasaustrittsseitige Abschnitt des Gaszuführrohres sowie die Ringscheibe oder der vordere Abschnitt des Brennerrohrs können aus keramischen, besonders thermisch beständigen Werkstoffen wie Siliciumnitrid hergestellt werden. Dabei bietet es sich an, die gasaustrittsseitige Spitze des Gaszuführrohres und die Ring­ scheibe als integrales Bauteil zu gestalten.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch den in Strö­ mungsrichtung vorderen Abschnitt eines erfindungsgemäßen 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 S des Gases am vorderen Ende abgewinkelt ausgebildet und weist dort insgesamt sechs Öffnungen auf, in die etwa radial nach außen verlaufende Düsen 14 eingesetzt sind.

Die einzelnen Düsen 14 sind - wie Fig. 2 zu entnehmen ist - mit gleichem Abstand auf einem Kreisring angeordnet und stehen in radialer Richtung über die Umfangsfläche des Gaszuführrohres 10 vor.

Fig. 1 zeigt weiter, daß - in Pfeilrichtung S - vor dem Kranz der Düsen 14 eine ringförmige Scheibe 16 auf dem Gaszuführrohr 10 aufsitzt, die umfangsseitig von einem Brennerrohr 18, das konzentrisch zum Gaszuführrohr 10 verläuft, begrenzt wird.

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

Aus der Zusammenschau der Fig. 1, 2 ergibt sich weiter, daß die Ringscheibe 16 eine Vielzahl (hier: 20) von Durch­ brechungen 22 aufweist, die ebenfalls kranzförmig und mit gleichem Abstand zueinander rotationssymmetrisch ausgebildet sind. Diese Durchbrechungen 22 sind nach außen offen und werden dort vom Brennerrohr 18 überdeckt.

Weiter sind (hier: 8) innere axiale Durchbrechungen 24 in der Ringscheibe 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 Brennerrohrs 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 Gasaustrittsöffnungen 12 der 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 Einströmrichtung 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 Verbrennungsluft geführt sind, kommt es zu einer optimalen Durchmischung des Verbrennungsgases mit der Verbrennungsluft und damit bereits in dieser Anlaufphase des Brenners 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 Bereich des ersten konischen Abschnittes des Brennersteins 18′ angeordnet.

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

Ferner ist eine Elektrode 28 zu erkennen, über die die Brennerflamme überwacht wird.

Darüber hinaus können im Bereich der Gasaustrittsöffnungen Sonden zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der Verbrennungsluft angeordnet sein.

Bei fortgesetztem Brennerbetrieb wird anstelle der ursprünglich verwendeten kalten Verbrennungsluft warme Verbrennungsluft zugeführt, wobei in gleicher Weise wie vorstehend beschrieben, eine optimale Durchmischung der Verbrennungsluft mit dem Verbrennungsgas erfolgt. Durch die relativ großen Durchbrechungen 22 in der Ringscheibe 16 ist die Strömungs­ geschwindigkeit der Verbrennungsluft und damit der Lärm relativ gering.

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

Dadurch, daß die Ringscheibe 16 in Pfeilrichtung S verstellbar angeordnet ist, kann der Abstand zwischen der Scheibe 16 und dem Düsenkranz 14 anwendungsspezifisch eingestellt werden.

Claims (10)

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 Ringscheibe (16) angeordnet,
• 1.4 die Ringscheibe (16) weist eine Vielzahl von Durchbrechungen (22, 24) in Strömungsrichtung (S) der Verbrennungsluft auf,
• 1.5 die Querschnittsfläche der Durchbrechungen (22, 24) beträgt mindestens 50% der Querschnittsfläche der Ringscheibe (16),
• 1.6 das gasaustrittsseitige Ende des Gaszuführrohrs (10) ist - in Strömungsrichtung (S) des Gases - mit Abstand hinter der Ringscheibe (16) angeordnet und so ausgebildet, daß das auf einem gedachten Kreisring über eine Vielzahl von Gasaustritts­ öffnungen (12) nach außen gerichtet austretende Gas beabstandet zur Ringscheibe (16) in den Verbrennungsluftstrom führbar ist.

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

3. Gasbrenner nach Anspruch 2, bei dem die Düsen (14) - in Strö­ mungsrichtung (S) des Gases betrachtet - unter einem Winkel (α) zwischen <45 und <90 Grad verlaufen.

4. Gasbrenner nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Düsen (14) bis in den Querschnittsbereich der Durchbrechungen (22, 24) in der Ringscheibe (16) verlängert sind.

5. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Gasaustrittsöffnungen (12) der Düsen (14) zwischen 2 und 10 cm hinter der Ringscheibe (16) liegen.

6. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Durchbrechungen (22) in der Ringscheibe (16) unter einem Winkel zur Strömungsrichtung (S) der Verbrennungsluft vor der Ringscheibe (16) angeordnet sind.

7. Gasbrenner nach Anspruch 6, bei dem der Winkel 1 bis 30 Grad beträgt.

8. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Brennerrohr (18) das Gaszuführrohr (10) in Strömungsrichtung (S) des Gases überragt.

9. Gasbrenner nach Anspruch 8, bei dem das Brennerrohr (18) - in Strömungsrichtung (S) des Gases betrachtet - hinter den Düsen (14) eine Querschnittsverjüngung aufweist, an die sich ein Abschnitt des Brennerrohrs (18) mit größerem Querschnitt anschließt.

10. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Ringscheibe (16) auf dem Gaszuführrohr (10) in axialer Richtung verstellbar angeordnet ist.