DE4323300C2

DE4323300C2 - Mischvorrichtung für einen Brenner

Info

Publication number: DE4323300C2
Application number: DE19934323300
Authority: DE
Inventors: Siegfried Delzer
Original assignee: OERTLI WAERMETECHNIK AG
Current assignee: OERTLI THERMIQUE S.A., THANN, FR
Priority date: 1993-07-12
Filing date: 1993-07-12
Publication date: 1998-03-19
Anticipated expiration: 2013-07-13
Also published as: FR2707736A1; FR2707736B3; DE4323300A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung für einen Brenner mit einer an einer Brennstoffleitung angeschlossenen Brennerdüse und einem diese umgebenden, der Luftzufuhr dienenden Rohr gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die US 2 976 919 offenbart eine derartige Mischvorrichtung für einen Ölbrenner. Die Mischvorrichtung enthält ein an der Brennerdüse befestigtes Luftleitorgan, das aus einem äußeren und inneren ventilatorradartigen Drallelement mit Öffnungen, die aus radialen und davon aus gehenden, bogenförmigen Schlitzen gebildet sind, sowie einem Leitkonus besteht. Durch die Ausbildung der Schlitze werden pro Drallelement ein tangentialer Luftstrom und ein radialer Luftstrom geringen Ausmaßes erzielt. Der vom inneren Drallelement erzeugte, radiale Luftstrom wird nachfolgend vom Leitkonus umgelenkt, um die Frontpartie der Brennerdüse mit Spülluft zu versorgen. Die Hauptluftströme der beiden Drallelemente bilden erste und zweite Teilluftströme, die verdrallt und umgelenkt tangential zum Brennstoff gerichtet sind.

Bei dieser bekannten Anordnung ergibt das innere Drallelement mit dem nachgeordneten Leitkonus bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten schlecht definierte Strömungsverhältnisse. Des weiteren dient die Anordnung vorrangig dazu, eine stabile Flamme zu erzielen, wobei die Rezirkulation des Rauchgases vernachlässigt wird, so daß relativ hohe NO-Werte erreicht werden. Außerdem ist diese bekannte Anordnung nur für Gelbbrenner vorgesehen. Aufgrund der speziellen Ausführung der Drallelemente mit Öffnungen, die aus radialen und davon ausgehenden bogenförmigen Schlitzen gebildet sind, sind bei Brennern mit kleinen Leistungen die erforderlichen kleinen Luftquerschnitte sehr aufwendig zu realisieren und zudem empfindlich gegen Verschmutzung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Mischvorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe bei Verhinderung einer Verschmutzung, z. B. durch Rußablagerungen, die Bildung von NO_x bei der Verbrennung weitgehend unterdrückt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Mischvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Mit der Erfindung ist die Ausbildung einer Rezirkulation außerhalb des Dralls sowie eine Flammenstabilisierung im Zentrum erreichbar. Dadurch wird die Bildung von NO_x stark reduziert und gleichzeitig durch eine intensive Durchmischung mit einer starken Verwirbelung und einer Vorwärmung des Brennstoffes eine stabile vollständige Verbrennung erreicht, so daß auch der Ruß- und CO-Anteil herabgesetzt wird. Weitere Vorteile sind in der Möglichkeit des universellen Einsatzes, der einfachen sowie kostengünstigen Ausführung und der Nachrüstung bestehender Brenner zu sehen.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden sind zur Erläuterung der Erfindung mehrere Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine Frontansicht einer ersten Ausführungsform einer Mischvorrichtung,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Einzelheit "A" in Fig. 2 im größeren Maßstab,

Fig. 4 eine Frontansicht einer zweiten Ausführungsform einer Mischvorrichtung,

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie V-V in Fig. 4,

Fig. 6 eine dritte Ausführungsform mit einem Becher,

Fig. 7 Ausführungsformen der die Drallelemente in Fig. 6 bildenden Öffnungen,

Fig. 8 eine Ausführungsform der äußeren Drallelemente und

Fig. 9 eine Modifikation der Vorrichtung in Fig. 1.

Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigte Mischvorrichtung enthält als Luftzuführung ein Rohr 2, das an einem Ende durch eine Luftleitplatte 1 abgeschlossen und am anderen Ende mit einer nicht gezeigten Frischluftquelle verbunden ist, so daß ein Luftkanal entsteht. Die Luftleitplatte 1 ist am Rand mit dem Rohr 2 luftdicht verbunden. Im Luftkanal ist eine Zündelektrode 3 und eine Brennstoffleitung mit einer Brennerdüse 4 angeordnet, die auf ein Zentrumsloch 5 in der Luftleitplatte 1 ausgerichtet ist. Das Zentrumsloch 5 ist als Durchzug mit stromauf gerichteter Randpartie 6 ausgebildet. Die Luftleitplatte 1 ist so angeordnet, daß zwischen der Brennerdüse 4 und der Randpartie 6 des Durchzuges ein Spalt 7 vorhanden ist.

In der Luftleitplatte 1 sind erste Öffnungen 11 vorgesehen, die wie die Fig. 1 zeigt, auf einem Teilkreis 12 mit dem Radius R1 liegend in der Randpartie ausgebildet sind, derart, daß eine erste Luftströmung in eine Mehrzahl von Teilluftströmen 13 aufgeteilt wird, die tangential auf eine fiktive Kreisbahn 14 gerichtet sind. In der Luftleitplatte 1 sind ferner zweite Öffnungen 15 vorgesehen, die wie Fig. 1 zeigt, auf einem Teilkreis 16 mit dem Radius R2 liegend so ausgebildet sind, daß eine zweite Luftströmung in eine Mehrzahl von zweiten Teilluftströmen 17 aufgeteilt wird, die tangential auf den Teilkreis 16 gerichtet sind.

Im Betrieb wird die Frischluft durch die ersten Öffnungen 11 als Saugstrahlen wirkende erste Teilluftströme 13 vom Randbereich der Platte 1 tangential auf die fiktive Kreisbahn 14 gerichtet, so daß ein Drall um den ausströmenden Brennstoff (Öl) entsteht. Diese Saugstrahlen bewirken eine intensive Rezirkulation des Rauchgases, wobei diese den Sprühkegel 18 der Brennerdüse 4 durchdringen und für eine effektive Verdampfung sorgen. Der durch die Saugstrahlen erzeugte Torus 19 aus Rauchgas und Verbrennungsluft bewirkt, daß die Verbrennung mit blauer Flamme erfolgt. Ferner wird die Frischluft durch die zweiten Öffnungen 15 in als Saugstrahlen wirkenden zweiten Teilluftströmen 17 auf den Teilkreis 16 gerichtet, so daß ein schnelldrehender, innerer Torus gebildet wird, innerhalb welchem eine Zentrumsflamme realisiert wird. Der Anteil an rezirkuliertem Rauchgas ist in diesem Bereich minimal, so daß eine stabile Flammenwurzel erzeugt wird.

Im Zentrum erfolgt die Verbrennung mit geringem Rauchgasanteil, so daß etwa die Flammenwurzel eines Gelbbrenners entsteht. Bei dieser Ausführungsform erfolgt somit die Verbrennung durch eine Kombination aus einer blauen und gelben Flamme. Es wird darauf hingewiesen, daß bei kalter Zuluft eine blaue Flamme auftreten kann.

Der Spalt zwischen Zentrumsloch 5 und der Brennerdüse 4 wird so eingestellt, daß der Luftstrom lediglich zur Spülung der Düse dient, um Ablagerungen an der Düse zu vermeiden.

Nachzutragen ist noch, daß durch die zweiten Teilluftströme 17 eine Verstärkung des Dralls einhergeht. Die daraus resultierende Luftanteilerhöhung hat eine Leistungserhöhung zur Folge. Es ist möglich, neben den genannten ersten und zweiten Teilluftströmen 13, 17 eine Mehrzahl von weiteren ersten Teilluftströmen vorzusehen, die durch auf einem oder weiteren Teilkreisen angeordnete Öffnungen erzeugt werden, wobei diese zwischen den Teilkreisen 12 und 16 vorgesehen werden.

Die in Fig. 4 bis 5 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen Mischvorrichtung durch die Ausbildung der Luftleitplatte 21 und die Anwendung einer becherförmigen Ausnehmung 22 zur Erzeugung der Zentrumsflamme. Die Luftleitplatte 21 weist die ersten Öffnungen 11 wie die Mischvorrichtung nach Fig. 1 bis 3 auf, um die auf die fiktive Kreisbahn 14 gerichteten ersten Teilluftströme 13 zu erzeugen.

Im Zentrum der Luftleitplatte 21 ist eine Vertiefung 23 ausgebildet, die mit der offenen Seite stromab gerichtet ist. In dieser Vertiefung 23 ist ein rohrförmiger Teil angeordnet, der über die Frontfläche der Luftleitplatte 21 hinausragt und mit dem Bodenteil der Vertiefung 23 die becherförmige Ausnehmung 22 bildet. Im Bodenteil sind ein Zentrumsloch 24 und zweite Öffnungen 25 vorgesehen, die auf einem Teilkreis 26 liegend so ausgebildet sind, daß eine Mehrzahl von zweiten Teilluftströmen 27 erzeugt und in die becherförmige Ausnehmung 22 geleitet wird.

Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführung ist in der im Zentrum der Luftleitplatte 21 ausgebildeten Vertiefung 28 ein Becher 22′ eingesetzt und am Rand mit der Wandung der Vertiefung luftdicht verbunden. Der Becher 22′ hat einen kreisförmigen Bodenteil 23′, eine zylindrische Wandung und ein Loch 29, das mit dem Zentrumsloch 24 in der Luftleitplatte 21 fluchtet. Die Außendurchmesser der Löcher 24 und 29 können unterschiedlich sein; günstig ist es, wenn das Loch 24 kleiner als das Loch 29 ist.

Im Bodenteil 23′ des Bechers 22′ sind zweite Öffnungen 25 vorgesehen, die auf einem Teilkreis 26 liegend so ausgebildet sind, daß eine Mehrzahl von zweiten Teilluftluftströmen 27 erzeugt und in den Becher 22′ geleitet wird. Zwischen dem Bodenteil 23′ des Bechers 22′ und der Vertiefung 28 ist ein Abstand vorhanden. Es wird darauf hingewiesen, daß der Becher 22′ mit seinem Bodenteil 23′ auf der Oberseite der Vertiefung 28 aufliegend angeordnet sein kann.

Im Bodenteil der Vertiefung 28 ist eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 30 ausgebildet, die auf einem Teilkreis angeordnet sind und durch welche die zweite Luftströmung in den Zwischenraum einströmt. Der Becher 22′ ist in der Luftleitplatte 21 so angeordnet, daß die Spülung der Düse 4 etwa unter den gleichen Bedingungen wie bei der Mischvorrichtung nach Fig. 1 bis 3 erfolgt.

Im Betrieb wird, gleich wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 3, die erste Luftströmung durch die ersten Öffnungen 11 in als Saugstrahlen wirkenden ersten Teilluftströmen 13 vom Randbereich der Luftleitplatte 21 tangential zum Brennstoff auf die fiktive Kreisbahn 14 gerichtet, um einen Drall außerhalb des Bechers 22′ zu erzeugen. Die zweite Luftströmung wird durch die zweiten Öffnungen 25 in als Saugstrahlen wirkenden zweiten Teilluftströmen 27 tangential zum Brennstoff in den Becher 22′ eingeleitet, um einen schnelldrehenden Torus zu erzeugen. Im Wurzelbereich entspricht die entstehende Flamme der eines Gelbbrenners. Die Flamme kann je nach Luftanteil blau sein.

Die Fig. 7 zeigt eine Auswahl möglicher Konturen der zweiten Öffnungen 25 des in Fig. 6 gezeigten Bechers 22′.

Bei den in Fig. 8 gezeigten Drallelementen einer Mischvorrichtung sind in der Randpartie der Luftleitplatte analog zu den vorstehend beschriebenen Mischvorrichtungen als Durchgangslöcher ausgebildete Öffnungen vorgesehen. Stromab der Luftleitplatte jedoch ist eine Mehrzahl von Drallelementen in Form von Rillen 50 angeordnet, deren Ausströmöffnungen 51 auf die fiktive Kreisbahn 14 gerichtet werden.

Im Betrieb wird die erste Luftströmung durch die Durchgangslöcher in Teilströme aufgeteilt, die axial auf die Drallelemente gerichtet sind. Die Teilströme werden nachfolgend durch die Drallelemente umgelenkt und als verdrallte erste Teilluftströme 52 tangential zum Brennstoff auf die fiktive Kreisbahn 14 gerichtet, so daß ein Drall um den ausströmenden Brennstoff entsteht. Diese als Saugstrahlen wirkenden ersten Teilluftströme 52 bewirken eine intensive Rezirkulation des Rauchgases, so daß diese den Sprühkegel durchdringen und für eine effektive Verdampfung sorgen.

Wie die Fig. 9 zeigt, sind bei einer Ausführungsform ähnlich Fig. 12 in der Luftleitplatte 71 zusätzliche Durchgangslöcher 72 vorgesehen, die im Randbereich der Luftleitplatte auf einem Teilkreis und auf dem Teilkreis 14 liegend ausgebildet sind. Hierdurch wird im Betrieb die erste Luftströmung auch in dritte Teilluftströme aufgeteilt, die axial zum Brennstoff und gegen den in Fig. 2 gezeigten Torus 19 gerichtet sind. Durch die im Randbereich der Luftleitplatte 71 erzeugten dritten Teil luftströme wird die Rezirkulation im Torus 19 gebremst und gleichzeitig eine größere Menge von Verbrennungsluft in den Torus eingebracht, so daß der Gelbanteil der Flamme in diesem Bereich erhöht und damit die optische Flammenüberwachung verbessert wird. Ferner kann mit dieser Maßnahme die Rezirkulationsrate des Torus 19 je nach Kesselausführung (Volumen und Rauchgasausgang) beeinflußt werden, um eine ruhige Flamme zu erzeugen.

Durch die von den auf dem Teilkreis 14 liegenden Durchgangslöchern 72 erzeugten dritten Teilluftströme wird gezielt der Gelbanteil der gesamten Flamme erhöht.

Mit der vorstehend beschriebenen Ausführung wird die Möglichkeit geschaffen, Öl, Gas, Kohle, stück- oder staubförmig, Holz, stück- oder schnitzelförmig, Papier oder Kombinationen davon als Brennstoff zu verwenden. Um die Strömungswiderstände in einer Brennkammer zu optimieren und damit die Rezirkulationsleistung zu erhöhen, wird für den Torus im Zentrum der Luftleitplatte eine strömungsgünstige Konstruktion vorgesehen, z. B. indem die Luftleitplatte bombiert ausgebildet ist. Ferner ist es möglich, ein Flammrohr nachzuschalten.

Claims

1. Mischvorrichtung für einen Brenner mit einer an einer Brennstoffleitung angeschlossenen Brennerdüse und einem diese umgebenden, der Luftzufuhr dienenden Rohr (2), bestehend aus einem Luftleitorgan, das im Rohr (2) im Bereich der Düse (4) angeordnet ist, durch das eine erste äußere Luftströmung und eine zweite innere Luftströmung erzeugbar ist und das Drallelemente aufweist, durch welche die Luftströmungen in erste und zweite Teilluftströme (13, 52; 17, 27) aufteilbar sind, die als verdrallte, umgelenkte Luftströme im wesentlichen tangential sowie in Richtung Zentrum und Brennstoff gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Luftleitorgan eine Luftleitplatte (1, 21, 71) ist, die das Rohr (2) frontseitig abschließt, und daß die Drallelemente als Öffnungen (11, 50; 15, 25) mit in sich geschlossenem Querschnitt und/oder als Rillen ausgebildet sind, durch die die ersten eine Rezirkulation von Rauchgas hervorrufenden Teilluftströme (13, 52) sowie die zweiten Teilluftströme (17, 27) unter gleichzeitiger oder nachgeschalteter Umlenkung etwa parallel zur Luftleitplatte (1, 21, 71) gerichtet sind.

2. Mischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftleitplatte (1, 21, 71) für die erste Luftströmung auf einem Teilkreis (12) erste Öffnungen (11) aufweist, deren erste Teilluftströme (13) tangential auf eine fiktive Kreisbahn (14) gerichtet sind (Fig. 1, 4, 9).

3. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftleitplatte (1, 21, 71) für die zweite Luftströmung auf einem Teilkreis zweite Öffnungen (15, 25) aufweist, deren Teilluftströme (17, 27) tangential zum zugeordneten Teilkreis (16, 26) gerichtet sind.

4. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine becherförmige Ausnehmung (22) mit einer mittigen Öffnung (24) in der Luftleitplatte (21) ausgebildet und mit der offenen Seite stromab gerichtet angeordnet ist und die Ausnehmung (22) die zweiten Öffnungen (25) für die zweite Luftströmung aufweist, deren zweite Teilluftströme (27) in die Ausnehmung (22) gerichtet sind (Fig. 4, 5).

5. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftleitplatte (1, 21) ein als Durchzug ausgebildetes Zentrumsloch (5, 24) mit einer stromauf oder stromab gerichteten Mündung aufweist, daß die Brennerdüse (4) unter Bildung eines Spaltes (7) für Spülluft in das Zentrumsloch (5, 24) hineinragt und daß der Spalt (7) mit dem Innenraum des Rohres (2) direkt in Verbindung steht (Fig. 2, 3, 4, 5, 6).

6. Mischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Luftleitplatte eine Anzahl von Durchgangslöchern, die auf einem Teilkreis ausgebildet sind, und nachgeschalteten Umlenkmitteln vorgesehen ist, derart, daß die erste Luftströmung in axiale Teilströme aufgeteilt und nachfolgend als verdrallte erste Teilluftströme (52) tangential auf den Brennstoff gerichtet ist.

7. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftleitplatte (1, 21, 71) als kreisförmige, bombierte Platte ausgebildet ist.

8. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Öffnungen (11; 15) sowie das Zentrumsloch (24) die gleiche Kantur aufweisen.

9. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die erste Luftströmung eine Anzahl von zusätzlichen Durchgangslöchern (72) vorgesehen ist, derart, daß axiale dritte Teilluftströme auf den durch die ersten Teilluftströme (13) erzeugbaren Torus (19) aus Rauchgas und Verbrennungsluft gerichtet sind (Fig. 9).