DE4319775A1 - Brenner mit torusförmiger, zyklonischer Gasführung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner mit torus­ förmiger, zyklonischer Gasführung, bestehend aus einem, mit einem Gebläse in Verbindung stehenden, äußeren Rohr mit einer senkrecht zu dessen Längsrichtung verlaufenden, ringförmigen Trennwand und einem in Strömungsrichtung der primären Zufuhr­ luft vor der Trennwand gelegenen, zentrisch im äußeren Rohr gelagerten Brennerkopf mit diversen Zufuhröffnungen, in dem mindestens eine Brennerdüse und eine Zündelektrode angeordnet sind.

Ein Brenner, der eingangs genannten Art, ist aus der US-A-50′85′577 bekannt. Der in diesem Patent beschriebene Brenner, beziehungsweise Brennerkopf ist eine Low-NOx-Ausfüh­ rung. Diese Brenner haben sich prinzipiell bewährt. Wie die Betriebserfahrungen gezeigt hat, sind die Brennerkammer der verschiedenen Kesselhersteller stets von unterschiedlicher Geometrie. Die Rauchgasanalysewerte haben gezeigt, daß die Geometrie der Brennerkammer der verschiedenen Kesseltypen zu stark variierenden Werte führt, die bei manchen Kesseltypen sogar unbefriedigend sein können. Die Geometrie der Brenner­ kammer beeinflußt den Verlauf der rezirkulierenden Rauchgase und damit auch das Flammenbild. Der Verlauf der rezirkulier­ enden Rauchgase, wirkt sich auch auf das Streubild der Zer­ stäuberdüse aus, wodurch beispielsweise die Öltröpfchen teil­ weise zu stark gestreut werden, unvollständig verbrennen und somit zu einem erhöhten CO-Wert führen.

Die Geometrie der Brennerkammer beeinflußt wesentlich die Re­ zirkulierung der heißen Brenngase. Ist diese Rezirkulations­ strömung gering, so erwärmt sich die ringförmige Trennwand im äußerem Rohr ungenügend, so daß sich Ruß- oder Koksablage­ rung bilden.

Es ist folglich die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brenner, der eingangs genannten Art, derart zu verbessern, daß die Rezirkulation der Verbrennungsgase in erheblich geringerem Masse von der Geometrie der Brennerkammer abhängig ist.

Diese Aufgabe löst ein Brenner der eingangs genannten Art da­ durch, daß in Strömungsrichtung der primären Zufuhrluft nach der ringförmigen Trennwand, unter Freilassung eines Ring­ spaltes ein konusförmiger Leitring vorgesehen ist, der mit seiner kleineren Öffnungsfläche zur Trennwand gerichtet ist, und mindestens teilweise innerhalb des äußeren Rohres zen­ trisch in diesem liegt. Hierdurch läßt sich eine exakte Tren­ nung der aus der Zerstäuberdüse austretenden Öltropfen be­ ziehungsweise der Brennerflamme und der rezirkulierenden Ver­ brennungsgase herbeiführen. Die optimale Verbrennungswerte lassen sich nun jeder Brennerkammergeometrie anpassen, in dem man das äußere Rohr verlängert oder verkürzt, beziehungsweise den Leitring in Bezug auf das äußere Rohr in seiner Lage ver­ ändert. Die verschiedenen, optimalen Einstellungen lassen sich für die verschiedenen Fabrikate der Kesselhersteller bestim­ men.

In der nachfolgenden Beschreibung ist ein bevorzugtes Ausfüh­ rungsbeispiel anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Brenners und

Fig. 2 ein Detail des Brenners nach Fig. 1 in größerem Maßstab dargestellt, sowie

Fig. 3 eine Variante eines Leitringes mit gewölbter Wandung in der Ansicht von der Brennkammer und

Fig. 4 im Längsschnitt;

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine Variante mit doppel­ wandiger Trennwand.

Im konventionellen Brennergehäuse 11 ist ein herkömmliches Brennergebläse, sowie eine Dosierpumpe für das Heizöl unterge­ bracht. Über ein Brennerrohr, hier das äußere Rohr 10, ge­ langt sekundäre die Luft B in den Brennerraum des Heizkessels 12. Die Verbindung erfolgt mittels eines Flansches 13. Über eine Zuleitung 15 wird das Heizöl vom der Förderpumpe im Bren­ nergehäuse 11 zur Düse 8 gefördert. Die Brennerdüse 8 ist in einem Brennerkopf 5 untergebracht. Brennerkopf 5 lagert zentrisch im äußeren Rohr 10. Der Brennerkopf 5 ist an der zum Brennergehäuse 11 hin gerichteten Seite geschlossen. In­ nerhalb des Brennerkopfes 5 ist eine Stauscheibe 17 ange­ ordnet. Diese hat einerseits eine zentrischen Blende, durch welche das zerstäubte Heizöl hindurchtritt und andererseits eine Vielzahl verschiedener Luftströmungsschlitze, durch die ein Teil der Primärluft hindurchströmt. Der Hauptstrom der Verbrennungsluft 14 umströmt jedoch den Brennerkopf 5, welcher vor der Stauscheibe 17 endet. So gelangt die Luft in einer turbulenten Strömung durch den Spalt zwischen dem Brennerkopf 16 und der ringförmigen Trennwand 9 und vermischt sich mit dem entzündeten Zerstäubungsstrahl und führt so die erforderliche Menge Sauerstoff der Flamme zu. Zwischen dem Brennerkopf 16 und dem äußeren Rohr 10 können verschiedene Strömungslamellen 18 vorgesehen sein. Die bisher beschriebene Vorrichtung ent­ spricht dem Brennerkopf entsprechend dem amerikanischen Patent Nr. 5′085′577.

Der über die ringförmige Trennwand 9 hinausragende Teil des äußeren Rohres 10 beinhaltet den erfindungsgemäßen Leitring 1. Dieser Leitring 1 ist konisch gestaltet und zentrisch im äußeren Rohr 10 gehalten. Die kleinere Grundfläche des konischen Leitringes 1 ist zur Düse 8 hin gerichtet. Die größere Grundfläche des konischen Leitringes 1 weist zur Brennkammer des Heizkessels 12. Der Leitring 1 ist in der dargestellten Ausführung mittels Stege 2 distanziert an der ringförmigen Trennwand 9 gehalten. Die distanzierte Halterung des Leitringes 1 garantiert, daß die rezirkulierenden Verbrennungsgase 4 durch den ringförmigen Spalt zwischen der Trennwand 9 und dem Leitring 1 in den inneren Bereich des Leitringes 1 einströmen können. Damit die Strömung, der vom Brennerkopf 5 kommenden Mischung von Primärluft und Öltröpfchen vom Leitring nicht gestört werden, sollte der Durchmesser der kleineren Öffnungsfläche des konischen Ringes 1 mindestens gleich groß, wie die Weite der Öffnung der ringförmigen Trennwand 9 sein. Der Durchmesser der größeren Öffnungsfläche des konischen Leitringes 1 ist kleiner als der Durchmesser des äußeren Rohres. Dies ist nicht zwingend, weil der Leitring 1 nicht vollständig innerhalb des äußeren Rohres 10 zu liegen hat. In den meisten Fällen wird man jedoch den konischen Leitring 1 vollständig innerhalb des äußeren Rohres 10 anordnen. Auch die Verbindung des Leitringes 1 über Stege 2 in der ringförmigen Trennwand 9 ist nicht unbedingt erforderlich. Insbesondere wenn der Leitring 1 relativ groß und nicht vollständig innerhalb des äußeren Rohres 10 angeordnet ist, kann die Verbindung des konischen Leitringes 1 auch über Stege 2 mit dem äußerem Rohr 10 erfolgen. Ein strömungstechnisch günstiges Verhalten stellt sich dann ein, wenn die minimale ringförmige Spaltfläche zwischen dem konischen Leitring 1 und dem äußeren Rohr 10 größer ist, als die ringförmige Spaltfläche zwischen der konischen Leitring 1 und der ringförmigen Trennwand 9. Ebenfalls strömungstechnisch bedingt, ist es vorteilhaft den Öffnungswinkel des konischen Leitringes 1 mindestens dem Öffnungswinkel des Flammen­ strahles in diesem Bereich entsprechend zu gestalten. Besonders vorteilhaft ist es ferner, den konischen Leitring 1 auf der Innenseite des kleiner Durchmessers mit einer Abriß­ kante 6 zu versehen. Hierdurch werden die rezirkulierenden Verbrennungsgase 4 entlang der Innenfläche des konischen Leitringes 1 in eine turbulente Strömung gebracht, die eine besonders stabilisierte Flamme ergibt.

Die Wirkung eines Brenners mit dem erfindungsgemäßen koni­ schen Leitring 1 ist außerordentlich vielfältig und erstaun­ lich. Primär führt der konische Leitring 1 zu einem stabileren Flammbild der Flamme 3 und einer gleichmäßigeren Rückführung der rezirkulierenden Verbrennungsgase 4. Die früher oftmals auftretende Vermischung wird fast vollständig unterbunden. Der Anteil der Öltröpfchen, die die Tendenz haben aus der Flamme auszutreten, ist erheblich reduziert. Diese führten bisher oftmals zu einer unvollständigen Verbrennung und damit zu einem Anstieg des CO-Gehaltes. Der konische Leitring 1, der vorzugsweise als Metall gefertigt ist, stellt sich auf eine Temperatur von cirka 400-600 Grad Celsius ein, so daß die wenigen aus dem Strahl austretenden Öltröpfchen, die auf den Leitring 1 auftreffen, vergast werden und diese Gase durch die turbulente Strömung in den Flammenbereich geführt werden, so daß die Verbrennungen annähernd ohne CO-Gehalt erfolgt.

Der konische Leitring 1 führt die heißen, rezirkulierenden Verbrennungsgase 4 auch bis an die ringförmige Trennwand 9 und vermeidet so, daß sich hier eine Ruß- oder Koksablagerung stattfindet.

Die Stabilisierung der Flamme 3 durch den konischen Leitring 1 vermindert auch die Tendenz, daß Schwingungen in der Brenn­ kammer des Kessels auftreten. Damit wird auch die Lärmentwick­ lung reduziert.

Die rezirkulierenden Verbrennungsgase 4 lassen sich durch den konischen Leitring 1 so beeinflussen, daß dieser die optimale Temperatur erreicht, die einen möglichst optimalen NOx-Wert garantieren. Dies läßt sich insbesondere auch beeinflussen, in dem man auf der Innenseite des Leitringes 1 eine Abriß­ kante 6 anbringt, die eine entsprechende, turbulente Strömung der Gase verursacht.

Prinzipiell lassen sich, sowohl die Dimensionen des wärme­ festen, äußeren Rohres 10, als auch des konischen Leitringes und ferner die relative Anordnung dieser Teile zueinander va­ riieren. Empirisch wird man für jeden Heizkessel die optimale Auslegung feststellen und den Heizungsmonteur entsprechend beliefern, nach den von ihm mitgeteilten Daten.

Erstaunlicherweise hat man zudem festgestellt, daß mit dem so verbesserten Brenner der Anfahrrußstoß stark vermindert werden konnte. Dies konnte nur empirisch festgestellt werden, eine physikalische Erklärung hierfür ist dem Anmelder nicht bekannt, doch wird vermutet, daß die bessere Zerstäubung eine bessere Verbrennung beim Start des Brenners bewirken.

Eine weitere Einflußgröße neben den geometrischen Bedin­ gungen des konischen Leitringes und des äußeren Rohres 10, besteht noch in der Variation der Größe des ringförmigen Spaltes zwischen den konischen Leitring 1 und der ringförmigen Trennwand 9.

Zu den möglichen Änderungen in der Geometrie des Leitringes allein, wird auf die Fig. 3 und 4 hingewiesen. Hier ist die Wandung des konischen Leitringes zusätzlich in der axialen Richtung von innen nach außen gewölbt.

In Fig. 5 ist eine Variante mit doppelwandiger Trennwand 9′, 9′′ und Luftansaugöffnungen 20 dargestellt.

Claims (11)

1. Brenner mit torusförmiger, zyklonischer Gasführung, be­ stehend aus einem mit einem Gebläse in Verbindung stehen­ den, äußeren Rohr (10) mit einer senkrecht zu dessen Längsrichtung verlaufenden, ringförmigen Trennwand (9), einem in Strömungsrichtung der primären Zufuhrluft (14) vor der Trennwand (9) gelegenen, zentrisch im äußeren Rohr (10) gelagerten Brennerkopf (5) mit diversen Luftzu­ fuhröffnungen, in dem mindestens eine Brennerdüse (8) und eine Zündelektrode angeordnet sind, dadurch gekennzeich­ net, daß in Strömungsrichtung der primären Zufuhrluft (14) nach der ringförmigen Trennwand (9), unter Frei­ lassung eines Ringspaltes, ein konischer Leitring (1) vor­ gesehen ist, der mit seiner kleineren Öffnungsfläche zur Trennwand (9) gerichtet ist, und zentrisch mindestens teilweise innerhalb des äußeren Rohres (10) liegt.

2. Brenner nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der kleineren Öffnungsfläche des konischen Leitringes (1) mindestens gleichgroß wie die Weite der Öffnung in der ringförmigen Trennwand (9) ist.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der größeren Öffnungsfläche des konischen Leitringes (1) kleiner als der Durchmesser des äußeren Rohres (10) ist.

4. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konische Leitring (1) vollständig innerhalb des äußeren Rohres (10) liegt.

5. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konische Leitring (1) aus Metall besteht.

6. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konische Leitring (1) über Stege (2) an der ringförmigen Trennwand (9) gehalten ist.

7. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konische Leitring (1) über Stege am äußeren Rohr (10) be­ festigt ist.

8. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die minimale ringförmige Spaltfläche zwischen dem konischen Leitring (1) und dem äußeren Rohr (10) größer ist, als die ringförmige Spaltfläche zwischen dem konischen Leit­ ring und der ringförmigen Trennwand (9).

9. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand doppelwandig (9′, 9′′) ausgeführt ist und min­ destens eine Luftansaugöffnung (20) aufweist.

10. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konische Leitring (1) auf der Innenseite des kleineren Durchmessers eine, eine turbulente Strömung verursachende, Abrißkante (6) aufweist.

11. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konische Leitring (1) zusätzlich eine Wölbung in axialer Verlaufsrichtung von innen nach außen aufweist.