DE4339011A1 - Außenmischender Flächenbrenner für flüssige Brennstoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen außenmischenden Flächen­ brenner für flüssigen Brennstoff und Luft bzw. Sauerstoff als Oxidationsmittel.

Flächenbrenner sind sowohl für den Einsatz in gasbeheizten Industrieöfen (Drehtrommelöfen, Konverter) zum Vorwärmen von Pfannen zur Wärmebehandlung, zum Einschmelzen bei der Glasherstellung und -bearbeitung als auch für die Wärmebe­ handlung von Metallprofilen und Halbzeugen, für das Warm­ umformen und Flammrichten von Blechen bestimmt.

Außenmischende Flächenbrenner sind konstruktiv so gestal­ tet, daß Brenngas oder Oxidationsmittel aus der Brenner­ platte (auch als Mundstück bezeichnet) durch Rohre kleinen Durchmessers in Einzelstrahlen austritt und das Oxi­ dationsmittel oder Brenngas durch die die Rohre konzen­ trisch umgebende Ringspalten (Kanäle) ausströmt, so daß die Stoffaustauschfläche zwischen Brenngas und Sauerstoff relativ groß ist und damit die Oxidation des Brennstoffes nahezu vollständig abläuft. Dementsprechend werden kurze und heiße Flammen gebildet.

Die angestrebte hohe Energiedichte von Flächenbrennern nimmt dabei mit der Verringerung des Querschnittes und des Abstandes der Rohre bzw. Kanäle zu.

Die Reduzierung der Abmessungen der Brenngas- und Oxida­ tionsmittelkanäle stößt jedoch auf fertigungstechnische und thermische Grenzen.

Aufgrund der Wärmerückstrahlung der Flammen auf die Bren­ nerplatte ist diese einerseits hohem thermischen Verschleiß ausgesetzt, andererseits besteht die Gefahr der Verformung der Rohre innerhalb der sie umgebenden Ring­ spalten, so daß diese nicht mehr konzentrisch in den Ringspalten angeordnet sind. Dadurch werden die Medien­ ströme gestört und das Brenngas und Oxidationsmittel ungleichmäßig vermischt.

Die Energiedichte des Brenners nimmt ab.

Zur Minderung des thermisch bedingten Verschleißes der Brennerplatte sind Ausführungsformen bekannt, die eine Kühlung der metallischen Brennerplatte mittels des zugeführten kalten Oxidationsmittels (i.a. Sauerstoff) vorsehen (DE-OS 35 12 927). Die dabei notwendige mehrfache Umlenkung des Oxidationsmittelstromes bedingt allerdings einen komplizierten Aufbau des Brenners. Infolge der Wechselwirkung zwischen Brennertemperatur und Gasdichte des Oxidationsmittelstromes können darüber hinaus leicht Instabilitäten im Brennerbetrieb bei Abweichungen vom stationären Betriebspunkt des Brenners entstehen, so daß regelungstechnisch hohe Anforderungen gestellt werden. In anderen bekannten Ausführungen von Flächenbrennern für gasbeheizte Glaswannen oder Brennöfen wird die Brennerplatte bzw. das Brennermundstück aus Feuerfest­ keramik gefertigt. In diesem Fall kann auf eine gesonderte Kühlung verzichtet werden. Allerdings ist die dafür verwendete Spezialschamotte relativ grobkörnig und ferti­ gungstechnisch für die Herstellung von Flächenbrennern mit hohen Energiedichten ungeeignet.

Des weiteren sind Einzelbrenner bekannt, deren Mundstücke aus keramischem Material gefertigt werden können (DE-OS 38 35 381), die jedoch konstruktiv nicht für den Aufbau von Flächenbrennern geeignet sind.

In der DE-OS 30 14 059 wird ein keramischer Brennerkopf mit zum Brennermund parallel zueinander geführten, schlitz­ förmigen Strömungskanälen für flüssigen Brennstoff vorgeschlagen, bei dem der Brennstoff die porösen kerami­ schen Trennwände zwischen den Strömungskanälen durchdringt und sich noch innerhalb des Brennermundstückes mit dem Oxidationsmittel vermischt. Eine solche Bauart muß jedoch den Vormischbrennern zugeordnet werden, die nicht zum Umfeld der Erfindung gehören.

Weitere bekannte Ausführungen von Flächenbrennern verzich­ ten wegen der Gefahr der Verformung der Zentralröhrchen auf deren konzentrische Anordnung in den sie umgebenden Kanälen und sehen statt dessen eine alternierende Anordnung von Brennstoffkanälen und Luft- bzw. Sauerstoff­ kanälen vor (DD 2 83 453, DE-GM 85 28 265, EP 484696). Die Vermischung von Brenngas und Sauerstoff ist dabei nicht so intensiv wie bei der konzentrischen Anordnung. Dies hat eine geringere Energiedichte des Brenners zur Folge. Um die Verformung der Zentralröhrchen bei konzentrischer Anordnung zu unterbinden, wurde den Zentralröhrchen in der DE-OS 35 12 927 eine eckige, drehsymmetrische Querschnitts­ form gegeben, so daß die Zentralröhrchen an der Innenwan­ dung der sie einschließenden äußeren Kanäle anliegen. Die Führung der Eckkanten der Zentralröhrchen an der Innenwand der äußeren Kanäle bewirkt eine gleichmäßige und konstante Aufteilung des zugeführten Oxidationsmittels bzw. Brenn­ gases in mehrere Einzelstrahlen je Kanal und damit eine stabile, gut ausgebrannte Flamme. Der fertigungstechnische Aufwand für die Herstellung der eckigen Zentralröhrchen und deren maßgenaue Verschweißung an den Durchführungen durch die Brenngas- bzw. Oxidationsmittelkammer verursacht jedoch hohe Herstellungskosten für den Brenner und schränkt dadurch dessen praktischen Einsatz ein.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen außenmischenden Flächenbrenner für flüssige Brennstoffe und hoher Energiedichte so auszugestalten, daß der fertigungstechnische Aufwand gesenkt und dessen thermische Verschleißfestigkeit verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einer poröse Brennerplatte aus hochtemperaturbeständiger Keramik eine Vielzahl von Rohren für die Zuführung eines Oxidationsmittels bündig mit der Brenneroberfläche angeordnet sind und der gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels über der Brennerplattenoberfläche dienen. Der flüssige Brennstoff strömt infolge der Kapillarwirkung der porösen Brennerplatte durch die zwischen den Oxidationsmittelrohren befindlichen Poren der Brennerplatte an deren Oberfläche und wird im Flammen­ bereich vergast und oxidiert.

Durch die erfindungsgemäße Brennerkonstruktion kann auf separate Brennstoffkanäle verzichtet werden, so daß die Oxidationsmittelrohre ohne fertigungstechnische Probleme in geringerem Abstand als bei konzentrischer Konstruktion angeordnet werden können und dadurch eine rasche und homo­ gene Vermischung von Brennstoff und Sauerstoff bewirkt wird.

Der erfindungsgemäße Flächenbrenner wird weiterhin von einer Oxidationsmittelverteilerplatte in eine Oxidations­ mittelkammer und eine Brenngaskammer unterteilt, an die jeweils äußere Zuleitungen für das Oxidationsmittel (Luft, Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereichertes Trägergas) und das Brenngas angeschlossen sind.

Die Rohre für die Zuführung des Oxidationsmittels sind in der Oxidationsmittelverteilerplatte eingelötet und stehen über diese mit der Oxidationsmittelkammer in Verbindung. In der Brennerplatte befinden sich nach unten konisch erweiterte Bohrungen, die an der Stelle ihres geringsten Querschnittes dem Außendurchmesser der Oxidationsmittel­ rohre entsprechen und ein unkompliziertes Aufsetzen der Brennerplatte auf die Oxidationsmittelrohre ermöglichen. Die Verwendung hochtemperaturbeständiger keramischer Werkstoffe mit niedriger Wärmeleitfähigkeit für die Bren­ nerplatte, z. B. Aluminiumoxid, Siliziumnitrid oder reaktionsgesintertem Siliziumnitrid, erhöht einerseits die Verschleißbeständigkeit der Brennerplatte gegenüber üblichen Flächenbrennern aus Metall wesentlich und andererseits ist die thermische Beanspruchung der Oxida­ tionsmittelrohre infolge der höheren Isolationswirkung der keramischen Brennerplatte geringer als bei metallischen Brennerplatten, so daß hierbei auch der Verschleiß der Oxidationsmittelrohre infolge Wärmerückleitung über die Brennerplatte nicht auftritt.

Die Herstellung der keramischen Brennerplatte ist durch Spritzen sehr effektiv, weil hierbei die Öffnungen für die Oxidationsmittelrohre bereits mit eingebracht werden können und das nachträgliche Bohren oder erosive Bearbei­ ten der Brennerplatte entfällt.

Der einfache Brenneraufbau, die hohe Verschleißbeständig­ keit und die hohe Energiedichte des erfindungsgemäßen Flächenbrenners erschließen neben der traditionellen Nutzung in Industrieöfen auch neue Einsatzgebiete, die kompakte Flächenbrenner erfordern, z. B. in Heizungsanlagen für private Haushalte.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Flächenbren­ ners ist den Zeichnungen schematisch dargestellt.

Es zeigen

Fig. 1 die generelle Ausbildung eines Flächenbrenners mit poröser keramischer Brennerplatte und Rohren für die Oxidationsmittelzufuhr

Fig. 2 einen Querschnitt eines Ausschnittes der Brennerplatte

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Brennerplatte.

In der Fig. 1 ist ein Flächenbrenner gemäß der Erfindung dargestellt, gebildet aus

• - einer Brennerplatte 1 mit konischen Öffnungen 5 zur Aufnahme der Oxidationsmittelrohre 4
• - einer Oxidationsmittelverteilerplatte 2 mit eingelöteten Oxidationsmittelrohren 4,
• - einem Brennergehäuse 3,
• - einer Oxidationsmittelkammer 7,
• - einer Kammer für den flüssigen Brennstoff 6
• - den Anschlüssen für den Brennstoff 8 und das Oxidations­ mittel 9

Fig. 2 ist ein Ausschnitt aus der Brennerplatte 1 mit den konischen Öffnungen 5 für die Aufnahme der bündig mit der Brennerplattenoberfläche abschließenden Zuführungsrohre für das gasförmige Oxidationsmittel 4.

Fig. 3 zeigt die Draufsicht der Brennerplatte 1 mit einigen der in regelmäßiger Anordnung eingebrachten Öffnungen 5 für die Oxidationsmittelrohre 4.

Das erforderliche Brenngas-Sauerstoff-Verhältnis, das vom Brennstoff abhängig ist, bestimmt die Porenweite und die Höhe der keramischen Brennerplatte 1 sowie den Druck des Oxidationsmittels in der Oxidationsmittelkammer.

Der thermische Verschleiß an den Zentralröhrchen kann durch deren Zurücksetzen gegenüber der Brennerplattenober­ fläche vermindert werden.

Claims (6)

1. Außenmischender Flächenbrenner für flüssigen Brennstoff und Oxidationsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Rohren (4) für die Zuführung eines Oxidationsmittels in einer Brennerplatte (1) aus hochtemperaturbeständigem porösen keramischen Material angeordnet und der Brennstoff infolge der kapillaren Saugwirkung der Brennerplatte (1) an deren Oberfläche in den Flammenbereich gefördert und dort vergast und verbrannt wird.

2. Außenmischender Flächenbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Porengröße der Brennerplatte (1) an die für den Transport des jeweils verwendeten Brennstoffes erforderliche Kapillarwirkung und das gewünschte Brennstoff- Sauerstoff-Verhältnis angepaßt wird durch die Wahl entsprechender Prozeßparameter während des Herstellungsprozesses der Brennerplatte (1).

3. Außenmischender Flächenbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerplatte (1) sich nach unten konisch erweiternde Öffnungen (5) zur Aufnahme der Oxidationsmittelrohre (4) aufweist.

4. Außenmischender Flächenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich unterhalb der Brennerplatte (1) jeweils eine Kammer für den Brennstoff (6) und das Oxidationsmittel (7) befinden, die durch eine zur Brennerplatte parallele Oxidations­ mittelverteilerplatte (2) voneinander gasdicht getrennt sind und über jeweils einen Anschluß (8, 9) für eine äußere Zuleitung verfügen.

5. Außenmischender Flächenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidationsmit­ telrohre (4) mit der Oxidationsmittelkammer (7) in Ver­ bindung stehen und in entsprechend der Brennerplatte (1) angeordneten Bohrungen in der Oxidationsmittelver­ teilerplatte (2) eingelötet sind.

6. Außenmischender Flächenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Oxidations­ mittel

• - Luft,
• - Sauerstoff oder
• - mit Sauerstoff angereichertes Trägergas eingesetzt wird.