DE4329971A1 - Brennereinrichtung für einen gasartigen Brennstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennereinrichtung für einen gasartigen Brennstoff,

• - mit wenigstens einer Brennstoff- und einer Luftzufuhr­ leitung, die im Bereich einer Brennstoff-Luft-Misch­ zone endet,
• - mit einer drallerzeugenden Vorrichtung, mit der ein Teil der Verbrennungsluft bei Eintritt in die Brenn­ stoff-Luft-Mischzone eine Drallbewegung (Vortex) ver­ setzbar ist.

Ein solcher Brenner ist bekannt aus DE-PS 31 13 511. Bei dem bekannten Brenner wird innerhalb der Mischzone und in der nachgeordneten Verbrennungszone eine Wirbelströ­ mung des Brennstoff-Luft-Gemisches erzeugt. Dabei er­ folgt über wenigstens einen Teil der Kanäle die Brenn­ stoff- und Luftzufuhr derart, daß die Brennstoffzufuhr­ leitung einen oder mehrere in der Wandung verlaufende Stränge umfaßt, der oder die in einem oder mehreren der Kanäle endet bzw. enden, so daß der einströmende Brennstoff vom Luftstrom innerhalb der Kanäle erfaßbar ist.

Weiterhin ist aus der DE-OS 27 29 329, insbesondere Fig. 12, eine Brennereinrichtung bekannt, bei der unter Umgehung eines Ölbrenners auch Gas einer Brennstoff- Luft-Mischzone zugeführt werden kann.

Die bekannten Brennereinrichtungen haben den Nachteil, daß mit ihnen relativ hohe Emissionswerte, insbesondere NO_x, gemessen werden. Dies beruht darauf, daß eine sehr intensive Durchmischung beobachtet wird, was zur Folge hat, daß einen kurze Verbrennungsflamme erzeugt wird, in der hohe Temperaturen herrschen und ein hoher Anteil an Stickoxiden relativ zur Gesamtabgasmenge erzeugt wird.

Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Brennereinrich­ tung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbes­ sern, daß die Flammentemperatur so eingestellt wird, daß der Anteil an Stickoxiden gering gehalten wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Brennereinrichtung der ein­ gangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Gaszufuhr durch eine im wesentlichen zentrisch angeordnete Hohl­ lanze erfolgt,
daß ein Stabilisierungsrohr die Hohllanze auf einem Teil ihrer Länge zwischen drallerzeugender Vorrichtung und Ende der Brennstoff-Luft-Mischzone umgibt,
daß die Hohllanze wenigstens zwei, in ihrer Achsrichtung in Abstand liegende Gastaustrittsbereiche aufweist, von denen eine innerhalb des Stabilisierungsrohrs und eine außerhalb des Stabilisierungsrohrs angeordnet ist.

Dadurch, daß die Hohllanze zwei (oder mehrere) Gasaus­ trittsbereich besitzt, wird das Gas dosiert und nach und nach der Brennstoff-Luft-Mischzone zugeführt. Die Flammentemperatur erreicht dabei nicht die hohen Werte, wie sie bei einer totalen Durchmischung sich einstellen.

Vorzugsweise sind die Gasaustrittskanäle im Mantel und/oder in der Stirnseite der in die Brennstoff-Luft- Mischzone ragenden Hohllanze angeordnet; Austrittskanäle können jedoch auch in die Stirnwand der Hohllanze eingelassen sein.

Merkmale weiterer Unteransprüche werden anhand der nach­ folgenden Beschreibung erläutert.

Die Figuren der Zeichnung zeigen einzelne Ausführungsfor­ men von Brennereinrichtungen.

In den Fig. 1a) und 1b) ist ein Querschnitt durch eine Brennereinrichtung, allgemein mit 1 bezeichnet, dargestellt, die sich an eine Kesselwand 2 anschließt. Die Brennereinrichtung 1 weist ein Gehäuse 3 auf, das im wesentlichen zylindrisch geformt ist und mehrere Teile umschließt.

Das Gehäuse 3 umgibt - von außen nach innen gesehen - zu­ nächst einen zylindrischen Luftkanal 4, dem über seinen Öffnungsquerschnitt 5 Luft von einem (nicht dargestell­ ten) Gebläse zugeführt wird, wobei der Druck im Luft­ kanal 4 über Atmosphärendruck liegt. Weiterhin liegt im vorderen Teil des Gehäuses 3 zentrisch ein Stutzenteil 6, der von außen von den Luftkanal-Enden 4′ umringt ist. Der Stutzenteil 6 ist mit seiner Stirnseite 7 in eine Stirnwand 8 eingepaßt, die ebenfalls Teil des Gehäuses 3 ist. Die Stirnwand 8 hat die Form eines sehr flachen Kegelstumpfes, dessen kleinere Grundseite die Stirnseite des Stutzenteiles 6 ist. Die Stirnwand 8 besitzt ferner mehrere, z. B. zwölf, Bohrungen 8′, die radialsymmetrisch gleichmäßig verteilt um die Peripherie der Stirnwand- Fläche verteilt sind. Durch die Bohrungen 8′ strömt ein Teil der Verbrennungsluft in den Raum, der von einem Mantelrohr 9 umschlossen ist. Dieser Teil der Verbren­ nungsluft beträgt etwa 5 bis 35% der gesamten Verbrennungsluft.

An die Stirnwand 8 schließt sich das Mantelrohr 9 an, das sich zum Kesselraum 10 hin öffnet. Das Mantelrohr 9 ist im Bereich der Stirnwand 8 mit einzelnen Öffnungen 11 versehen, die um die Peripherie des Mantelrohres 9 verteilt sind. Nach innen überstehend und anschließend an die Öffnungen 11 sind am Mantelrohr 9 Luftleitbleche 12 angebracht, die in einem Winkel von etwa 45° schräg stehen und etwa um einen Betrag von 3 bis 20% des Innendurchmessers des Mantelrohres 9 in dieses hin­ einragen. Durch die Öffnungen 11 können Rauchgase aus dem Kesselraum 10 zurückgeführt und nachverbrannt werden. Durch die Nachverbrennung der Rauchgase stellt sich eine geringere Flammentemperatur ein.

Der Stutzenteil 6 ist auf seiner gesamten Länge zylin­ drisch aufgebohrt. Dabei verbleibt eine relativ dicke, zylinderringförmige Wandung 13, die einen Hohlraum 13′, im folgenden als Wirbelkammer bezeichnet, umschließt. Wie Fig. 1b zeigt, ist die Wandung 13 von zahlreichen schlitzartigen Kanälen durchsetzt. Die Kanäle 18 weichen in ihrer Richtung von der Normalenrichtung ab, d. h. sie stehen tangential zu einem imaginären Kreis K innerhalb der Mischzone 15. Wenn Verbrennungsluft durch die Kanäle 18 strömt, sind diese daher Luftzuführungskanäle und gleichzeitig drallerzeugende Vorrichtungen, die mittels der durch sie strömenden Luft innerhalb der Wirbelkammer 13′ und in der nachgeordneten Brennstoff-Luft-Mischzone 15 (gestrichelt umrandet) innerhalb des Mantelrohres 9 eine Wirbelbewegung (Vortex) erzeugen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind in die Wandung 13 zwölf Kanäle für Luft vorgesehen. Die Kanäle 18 werden über den Luftkanal 4 versorgt.

An die Wirbelkammer 13′ schließt sich ein Stabili­ sierungsrohr 22 an, das dieselbe lichte Weite hat wie die Wirbelkammer 13′, die im übrigen auf ihrer gesamten Länge denselben Durchmesser hat. Das Stabilisierungsrohr 22 ragt in die Brennstoff-Luft-Mischzone 15 hinein und hat die Aufgabe, den Vortex zu stabilisieren. An seinem Ende verringert sich der Durchmesser des Stabilisierungs­ rohrs 22 etwas, wie aus Fig. 1a hervorgeht.

Weiterhin mündet in die Brennstoff-Luft-Mischzone 15 kon­ zentrisch oder nahezu konzentrisch eine Hohllanze 23, deren Durchmesser etwa 10 bis 40% des Durchmessers der Brennstoff-Luft-Mischzone 15 beträgt und die wiederum vom Stabilisierungsrohr 22 umgeben ist. Die Hohllanze 23 ist als Rohr mit einer geschlossenen Stirnseite 24 ge­ staltet. In die Hohllanze 23 strömt von ihrem brenner­ abgewandten Ende das Brenngas ein und gelangt zu Mantel­ bohrungen 26 und 27. Diese Mantelbohrungen 26 bzw. 27, die peripher gleichmäßig um den Mantel der Hohllanze 23 verteilt sind, bilden zwei, in Achsenrichtung der Hohllanze in Abstand liegende Gasaustrittsbereiche, von denen einer innerhalb des Stabilisierungsrohrs 22 und und einer außerhalb des Stabilisierungsrohrs liegt. Das austretende Gas wird demnach dem Verbrennungsluftstrom nach und nach zugeführt. Die sich ergebenden Verbren­ nungstemperaturen liegen niedriger als bei einer Verbrennung bei sofortiger, totaler Durchmischung von Brennstoff und Luft.

Die Hohllanze ist im Inneren des Gehäuses 3 und inner­ halb des Stabilisierungsrohres 22 noch von einer Luft­ zufuhrleitung 28 umgeben, die über Einströmöffnungen 28′ und 28′′ verfügt. Die Luftzuführleitung 28 endet zwischen dem vordersten und dem hintersten Gasaus­ trittsbereich. Durch die Luft, die durch diese Luftzu­ führleitung strömt, wird das aus dem ersten Gasaustritts­ bereich ausströmende Gas aufgenommen und der Luft-Brenn­ stoff-Mischzone zugeleitet, ohne daß im Bereich der Luftzuführungsleitung schon eine Verbrennung erfolgt.

Die Luftmenge, die durch die Kanäle 8′ und 18 strömt, und die Gasmenge, die durch 25 und 25′ strömt, wird entspre­ chend der Gasart und entsprechend dem vorhandenen Gas­ druck zugemessen, beispielsweise durch Verstellung des Ventilatordruckes.

In der Ausführungsform gemäß den Fig. 2a) und 2b) ist ein Querschnitt durch eine weitere Brennereinrichtung dargestellt, die allgemein mit 201 bezeichnet ist. Glei­ che Teile haben gleiche Bezugszahlen wie in Fig. 1a/1b.

Das Gehäuse 3 schließt einen zylindrischen Luftkanal 4 ein. Weiterhin liegt im vorderen Teil des Gehäuses zentrisch ein Stutzenteil 206, der von außen von den Luftkanalenden 4′ umringt ist. Der Stutzenteil 6 ist mit seiner Stirnseite 7 in die Stirnwand 8 eingepaßt. An die Stirnwand 8, der ein Teil des Gehäuses 3 ist, schließt sich das Mantelrohr 9 an.

Der Stutzenteil 206 ist auf seiner ganzen Länge zylin­ drisch zu einer Wirbelkammer 13′ aufgebohrt. An die Wirbelkammer schließt sich mit gleicher lichter Weite das Stabilisierungsrohr 222 an. In die Wirbelkammer münden zahlreiche Kanäle 218, die im vorliegenden Falle nicht als Schlitze, sondern als Rundbohrungen gestaltet sind. Die Luftzufuhr durch die Kanäle 218 kann gesteuert werden. Als Steuerorgan ist eine außenliegende, verstell­ bare Hülse 216 vorgesehen, deren Hin- und Herbewegung entweder manuell gesteuert werden kann oder aber mit Hilfe einer Steuervorrichtung, die die Hülse 216 auf­ grund abgetasteter Werte, z. B. des Brennzustandes, oder mit Hilfe eines Thermostat-Systems oder dergleichen geregelt verstellt.

Die Bohrungen 218 weichen von der Normaleinrichtung ab, d. h. sie sind tangential zu einem imaginären Kreis K innerhalb der Brennstoff-Luft-Mischkammer 215 gerichtet. Die Bohrungen 218 sind daher gleichzeitig drallerzeu­ gende Vorrichtungen, die mittels der durch sie strömen­ den Verbrennungsluft innerhalb der Wirbelkammer 13′ und in der nachgeordneten Verbrennungszone 215 eine Wir­ belströmung erzeugen. Die Kanäle 18 können mit Hilfe der Hülse 216 mehr oder weniger zugestellt werden.

Die Gaszufuhr erfolgt über eine zentrisch mündende Hohllanze 223, die als Rohr mit einer geschlossenen Stirnseite 24 gestaltet ist. Dabei ragt das Rohr über das Ende des Stabilisierungsrohrs 222 hinaus in das Mantelrohr 9 hinein. Der Durchmesser der Hohllanze umfaßt etwa 25 bis 35% des Innendurchmessers des Stabilisierungsrohres 222.

In das freie Ende der Hohllanze 223 sind jeweils über den Umfang verteilt auf einer Höhe vier Bohrungen 225′ eingearbeitet und in Abstand dazu vier weitere Bohrungen 225. Es ergeben sich daher auch hier zwei Gasaustritts­ bereiche, von denen einer innerhalb und einer außerhalb des Stabilisierungsrohres liegt.

Durch Variation des Druckes durch eine (nicht dargestell­ te) Vorrichtung, die der Hohllanze 223 vorgeschaltet ist, kann der Durchsatz an Brenngas durch die Bohrungen 225 und 225′ variiert werden. Die Bohrungen können eben­ falls tangential oder aber radial gerichtet sein, so daß die Wirbelströmung, die bereits durch die einströmende Luft durch die Bohrungen 218 erzeugt wird, verstärkt wird.

Ferner ist durch die Wandung 213 eine Ionisationselek­ trode 29 eingesetzt, die aus einem isolierenden Mantel 30 und der eigentlichen Elektrode besteht, die an der Peripherie als Austrittsöffnung des Stabilisierungs­ rohres 222 endet. Die Elektrode 29 dient zur Zündung und dazu, festzustellen, ob eine Flamme vorhanden ist und gegebenenfalls dazu, ein Signal abzugeben, das den Brennzustand anzeigt.

In den Fig. 3a/3b ist eine ähnliche Brennereinrich­ tung 301 wie in Fig. 2a/2b dargestellt. Allerdings sind hier in die Wandung 313 der Wirbelkammer 313′ noch eine Zündelektrode 31 und eine Ionisationselektrode 29 eingebaut. Die Hohllanze 323 für die Gaszufuhr ragt überdies noch etwas weiter über das Stabilisierungsrohr 322 hinaus. In die Hohllanze sind Bohrungen 325 und 325′ eingelassen.

Ferner kann das Mantelrohr 9 mit den Luftleitblechen 12 hin und her geschoben werden, so daß der Abstand der Öffnungen 11 gegenüber der Stirnwand 8 verstellbar ist, was eine optimale Rückführung der Rauchgase zur Steue­ rung der Brenntemperatur gewährleistet.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Bohrun­ gen 418 in der Wandung 413 der Brennstoff-Luft-Misch­ kammer als Diffusor- oder Venturi-Düsen gestaltet sind. Dies führt zu einer Verbesserung der Drallentwicklung und der Energieausnutzung. Das anschließende Mantelrohr 409 ist ebenfalls mit einer Verengung versehen, deren engste Stelle kurz hinter der Stirnseite 424 der Gas­ lanze 423 liegt. Die vorgenannten strömungstechnischen Maßnahmen verbessern die Energieausnutzung der heran­ geführten Luft.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ergeben im wesentlichen die nachfolgenden Vorteile:

• 1. Ein Ventilatordruck von 10 mm WS (1 mbar) reicht aus, eine optimale Vermischung von Gas und Luft zu errei­ chen. Dieser Druck wird optimal für die Mischung von Gas und Luft ausgenutzt. Es ergibt sich keine Druck­ erniedrigung an der Saugseite des Ventilators. Die Kapazitätsregelung kann sowohl luv- als als leeseitig zum Ventilator erfolgen.
• 2. Das System ist relativ unempfindlich für Unter- bzw. Überdruck in der Verbrennungskammer.
• 3. Bei Stillstand des Brenners wirkt der Vortexgenerator als abschließendes Organ, da angesichts des geringen Unterdrucks bzw. Überdrucks in der Verbrennungskammer (Schornstein) die Luft nicht durch den Zyklongenera­ tor gedrückt wird.
• 4. Das System ist geeignet für realtiv hohe Gegendrücke resp. Unterdrücke.
• 5. Es können verschiedene Brennersysteme ausgewählt werden, wie sie an sich bekannt im Einsatz sind. Eine Nachrüstung ist demnach in vielen Fällen möglich.
• 6. Das System ist ohne Umbau geeignet für alle Gassorten von Stadtgas (± 1000 kcal/m³) bis Butan (± 30.000 kcal/m³).
• 7. Die Brennerkapazität kann in einfacher Weise einge­ stellt werden durch die Anzahl von tangentialen Öffnungen. Der Ventilator und sein Druck sind vorge­ geben durch das Fabrikat des Brenners.
• 8. Die Gas/Lufthaltung ist auf einfache Weise durch das Gasreduzieren des richtigen Gasdruckes einzustellen.
• 9. Die Stickoxid-Erzeugung ist reduzierbar, denn durch die feinsteuerbare radiale und tangentiale Luftzufuhr ist eine kapazitätsabhängige Rauchgaszirkulation gegeben, mit der die Flammentemperatur verändert werden kann. Durch die beschränkbare Gaszufuhr kann die Flammenfront überstöchiometrisch (n < 1,3) gehal­ ten werden, so daß auch damit eine Veränderung der Flammentemperatur erreicht wird.
• 10. Die Bemessung des Durchmessers und der Länge der Hohllanze verändern die Parameter der Brennstoff- Luft-Mischkammer, so daß auch hierdurch je nach dem Brennwert des Gases die für die Entstehung von Stickoxiden maßgebende Flammentemperatur geändert werden kann.
• 11. Über Kapazitätsnomografen ist es möglich, ohne Meßap­ paratur den Brenner auf den richtigen Arbeitspunkt einzustellen.

Claims (13)

1. Brennereinrichtung für einen gasartigen Brennstoff,

• - mit wenigstens einer Brennstoff- und einer Luftzufuhrleitung, die im Bereich einer Brennstoff-Luft-Mischzone enden,
• - mit einer drallerzeugenden Vorrichtung, mit der ein Teil der Verbrennungsluft bei Eintritt in die Brenn­ stoff-Luft-Mischzone in eine Drallbewegung (Vortex) versetzbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß
die Gaszufuhr durch eine im wesentlichen zentrisch ange­ ordnete Hohllanze (23; 223; 323; 423) erfolgt,
daß ein Stabilisierungsrohr (22; 222; 322; 422) die Hohllanze auf einem Teil ihrer Länge zwischen drallerzeu­ gender Vorrichtung und Ende der Brennstoff-Luft-Mischzo­ ne umgibt, daß die Hohllanze wenigstens zwei, in ihrer Achsenrichtung in Abstand liegende Gasaustrittsbereiche (26; 27; 225; 225′) aufweist, von denen einer innerhalb des Stabilisierungsrohrs und einer außerhalb des Stabilisierungsrohr angeordnet ist.

2. Brennereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohllanze auf einem Teil ihrer Länge von einer Luftzufuhrleitung (28) umgeben ist.

3. Brennereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuführleitung (28) zwischen dem vordersten und dem hintersten Gasaus­ trittsbereich der Hohllanze endet.

3a. Brennereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der drallerzeugenden Vorrichtung eine sich außen an das Stabilisierungsrohr anschließende Stirnwand (8) nachgeschaltet ist und daß die Stirnwand außerhalb des Stabilisierungsrohrs (22) mit Luftzuführöffnungen (8′) versehen ist, durch die dem Vortex von seiner Peripherie her weitere Verbrennungs­ luft zuführbar ist.

4. Brennereinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohllanze (23) mit einem Organ versehen ist, mit dem die zeitlich zugeführte Gasmenge steuerbar ist.

5. Brennereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitlich der drallerzeugenden Vorrichtung (13, 13′, 18) zugeführte Luftmenge steuerbar ist.

6. Brennereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die drallerzeugende Vorrichtung aus einer Wirbelkammer besteht, in die schräg gestellte Bohrungen (318) oder Schlitz (18) münden.

7. Brennereinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Bohrungen oder Schlitze (318; 18) in der Wandung der Wirbelkammer in Form von Venturi- oder Diffuso-Düsen ausgestaltet ist.

8. Brennereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff -Luft-Mischzone außerhalb der in der Stirnwand befindlichen Lufteintrittsöffnungen von einem Mantelrohr (9) umgeben ist.

9. Brennereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Stirnwand (8) und Mantelrohr (9) bzw. im Mantelrohr im Bereich der Stirnwand Rauchgaseintrittsöffnungen (11) vorgesehen sind.

10. Brennereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Rauchgas­ eintrittsöffnungen (11) des Mantelrohres mit einem nach innen weisenden Luftleitblech (12) versehen ist.

11. Brennereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zündelektro­ de (29) und/oder eine Ionisationselektrode (30) im Ver­ brennungsbereich der Brenneinrichtung enden.