DE4339012A1 - Außenmischender Flächenbrenner für gasförmige Brennstoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen außenmischenden Flächenbren­ ner für Brenngas und Luft bzw. Sauerstoff mit koaxial angeordneten Strömungskanälen für Brennstoff und Oxida­ tionsmittel.

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 Zentralrohre kleinen Durchmessers in Einzelstrahlen austritt und das Oxidationsmittel 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 Ver­ schleiß ausgesetzt, andererseits besteht die Gefahr der Verformung der Zentralröhrchen innerhalb der sie umgeben­ den Ringspalten, so daß diese nicht mehr konzentrisch in den Ringspalten angeordnet sind. Dadurch werden die Medienströme 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 zuge­ führten kalten Oxidationsmittels (i.a. Sauerstoff) vor­ sehen (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 Brenner­ platte bzw. das Brennermundstück aus Feuerfestkeramik gefertigt. In diesem Fall kann auf eine gesonderte Kühlung verzichtet werden. Allerdings ist die dafür verwendete Spezialschamotte relativ grobkörnig und fertigungstech­ nisch für die Herstellung von Flächenbrennern mit hohen Energiedichten ungeeignet.

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

Weitere bekannte Ausführungen von Flächenbrennern verzich­ ten wegen der Gefahr der Verformung der Zentralrohre auf deren konzentrische Anordnung in den sie umgebenden Kanälen und sehen statt dessen eine alternierende Anord­ nung von Brennstoffkanälen und Luft- bzw. Sauerstoffka­ nälen vor (DD 2 83 453, DE-GM 85 28 265, EP 484696). Die rasche und homogene Vermischung von Brenngas und Sauer­ stoff ist dadurch im Gegensatz zur konzentrischen Anord­ nung nicht gegeben und hat eine geringere Energiedichte des Brenners zur Folge.

Um die Verformung der Zentralrohre bei konzentrischer Anordnung zu unterbinden, wurde den Zentralrohren in der DE-OS 35 12 927 eine eckige, drehsymmetrische Querschnitts­ form gegeben, so daß die Zentralrohren an der Innenwan­ dung der sie einschließenden äußeren Kanäle anliegen. Die Führung der Eckkanten der Zentralrohre 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 Zentralrohre 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 Brenngas-Luft(bzw. Sauerstoff) -Brenner mit vorteilhafter konzentrischer Kanalanordnung der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten, daß der fertigungs­ technische Aufwand gesenkt und dessen thermische Ver­ schleißfestigkeit verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in geringem Abstand unterhalb der Brennerplatte mit den äuße­ ren Kanälen eine Zentrier- und Prallplatte angeordnet wird, die der Zentrierung der Zentralrohre in der Brennerplatte und der gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels dient und mit der Brennerplatte eine Baueinheit bildet. Der erfindungsgemäße Flächenbrenner wird weiterhin von einer Brenngasverteilerplatte in eine Oxidationsmittel­ kammer und eine Brenngaskammer unterteilt, an die jeweils äußere Zuleitungen für das Oxidationsmittel (Luft, Sauer­ stoff oder mit Sauerstoff angereichertes Trägergas) und das Brenngas angeschlossen sind.

Die Zentralrohre für die Brenngaszufuhr sind in der Brenngasverteilerplatte eingelötet und stehen über diese mit der Brenngaskammer in Verbindung.

Die zwischen Brennerplatte und Oxidationsmittelkammer befindliche Zentrier- und Prallplatte besitzt seitliche Ausnehmungen, durch die das Oxidationsmittel aus der Oxi­ dationsmittelkammer gleichmäßig unter der Brennerplatte verteilt wird und mit über der gesamten Fläche der Bren­ nerplatte konstantem Druck aus den äußeren Kanälen aus­ strömt. In der Zentrier- und Prallplatte befinden sich nach unten konisch erweiterte Bohrungen, die an der Stelle ihres geringsten Querschnittes dem Außendurchmesser der Zentralrohre entsprechen und ein unkompliziertes Aufsetzen der Baueinheit Brennerplatte/Zentrierplatte auf die Zentralrohre ermöglichen.

Die exakte Zentrierung der Zentralrohre in der Brenner­ platte wird realisiert, indem die Brennerplatte als Schab­ lone für die Einbringung der Bohrungen für die Zentrier- und Prallplatte dient.

Der beschriebene erfindungsgemäße einfache Brenneraufbau gestattet eine vorteilhafte Weiterbildung des Flächenbren­ ners durch Einsatz von thermisch beständiger Keramik (Ingenieurkeramik) für die Brenner- und Zentrierplatte. Durch Verwendung hochtemperaturbeständiger keramischer Werkstoffe mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, z. B. Alu­ miniumoxid, Siliziumnitrid oder reaktionsgesintertem Sili­ ziumnitrid, wird einerseits die Verschleißbeständigkeit der Brennerplatte gegenüber üblichen Flächenbrennern aus Metall wesentlich erhöht und andererseits ist die ther­ mische Beanspruchung der Zentralrohre infolge der höheren Isolationswirkung der keramischen Brennerplatte geringer als bei metallischen Brennerplatten, so daß hierbei die Verformung der Zentralrohre infolge Wärmerückleitung über die Brennerplatte nicht auftritt.

Je nach Einsatztemperatur des Brenners sind nun verschie­ dene Materialkombinationen für die erfindungsgemäße Brenner- und Zentrierplatte möglich:

• 1. Brennerplatte und Zentrierplatte aus wärmebeständigen Metallegierungen für geringe thermische Beanspruchun­ gen
• 2. Brennerplatte aus Keramik, Zentrierplatte aus Metall
• 3. Brennerplatte und Zentrierplatte aus Keramik bei hohen Energiedichten.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Brennerkon­ struktion besteht darin, daß metallische Brenner- und Zentrierplatten aus Walzprofilen kostengünstig gefertigt oder sogar aus einem Stück durch elektroerosive Bearbeitung hergestellt werden können.

Bei der Verwendung keramischer Werkstoffe für Brenner- und/ oder Zentrierplatte ist deren Herstellung durch Spritzen oder auch Trockenpressen einfach möglich, wobei die ent­ sprechenden Kanäle bereits beim Spritzen oder Pressen mit eingebracht werden und dadurch auf eine nachträgliche ero­ sive Bearbeitung verzichtet werden kann.

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 Brenngas-Oxida­ tionsmittel-Brenners mit der Koaxialen Anordnung von brenngasführenden Zentralrohren in Kanälen für das Oxidationsmittel,

Fig. 2 einen Querschnitt eines Ausschnittes von Brenner­ platte und Zentrier- und Prallplatte,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Brennerplatte,

Fig. 4 einen Ausschnitt aus einer Brennerplatte mit verschiedenen Querschnittsformen der Kanäle.

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

• - einer Brennerplatte 1 mit äußeren Kanälen 5,
• - einer Zentrier- und Prallplatte 2 mit Öffnungen 6 zur Aufnahme der Zentralrohre 7,
• - einer Brenngasverteilerplatte 9 mit eingelöteten Zentral­ rohren 7,
• - einem Brennergehäuse 3
• - einer Oxidationsmittelkammer 8,
• - einer Brenngaskammer 10 und
• - den Anschlüssen für das Oxidationsmittel 11 und das Brenngas 12.

Brennerplatte und Zentrierplatte sind in Fig. 1 zweiteilig und miteinander verschraubt (13) dargestellt. Wie vorher erwähnt, können beide Teile auch aus einem Stück gefertigt werden.

Die an die Brenngaskammer 10 angeschlossenen Zentralrohre 7 sind wie in Fig. 2 koaxial in den Kanälen 5 für das Oxi­ dationsmittel angeordnet.

Zwischen Zentrier- und Prallplatte 2 und den Wandungen des Brennergehäuses 3 verbleiben Gasdurchtrittsöffnungen 14 (Fig. 3), durch die das Oxidationsmittel in den Zwischenraum 4, der durch Brennerplatte 1 und Zentrier- und Prallplatte 2 gebildet wird, überströmt und sich mit konstantem Druck gleichmäßig über die gesamte Brennerplatte 1 verteilt. Das erforderliche Brenngas-Sauerstoff-Verhältnis, das vom Brenngas abhängig ist, bestimmt das Querschnittsverhältnis der Zentralrohre 7 zu den sie umgebenden Oxidationsmittel­ kanäle 5, wovon auch die Querschnittsform der Oxidations­ mittelkanäle 5 abhängig ist. Anstelle der ringförmigen Oxidationsmittelkanäle 5 sind fertigungstechnisch und in Abhängkeit vom erforderlichen Querschnittsverhältnis auch abgewandelte Querschnittsformen, z. B. mit zusätzlichen Führungen für die Zentralrohre 7 möglich (Fig. 4). Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, die Brenngaskammer 10 und die Oxidationsmittelkammer 8 miteinander zu ver­ tauschen und das Oxidationsmittel durch die Zentralrohre 7 ausströmen zu lassen.

Während des Brennerbetriebes wird die Wärmeabgabe des Flächenbrenners über den Vordruck von Brenngas und Oxida­ tionsmittel in den jeweiligen Kammern in einem weiten Bereich geregelt.

Der thermische Verschleiß an den Zentralrohren kann durch deren Zurücksetzen gegenüber der Brennerplattenoberfläche vermindert werden, wodurch gleichzeitig die Saugwirkung der Zentralrohre 7 gegenüber den sie umgebenden Kanälen erhöht wird.

Claims (7)

1. Außenmischender Flächenbrenner mit koaxial zueinander angeordneten Kanälen für Brenngas und Oxidationsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils innenliegenden Zentralrohre (7) mit Hilfe einer in geringem Abstand von der Brennerplatte befindlichen Zentrier- und Prall­ platte (2) in den äußeren Kanälen (5) der Brennerplatte zentriert werden.

2. Außenmischender Flächenbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Zentrier- und Prallplatte (2) sich nach unten ko­ nisch erweiternde Öffnungen (6) in gleicher Anordnung wie in der Brennerplatte (1) aufweist und
• - seitliche, zusammen mit der korrespondierenden Wand­ ung des Brennergehäuses gebildete Gasdurchtrittsöff­ nungen (14) besitzt, die das Einströmen des gasför­ migen Oxidationsmittels aus einer Oxidationsmittel­ kammer (8) in den von Brennerplatte (1) und Zentrier- und Prallplatte (2) gebildeten Zwischenraum (4) ermöglichen.

3. Außenmischender Flächenbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralrohre (7) einen kreisförmigen Querschnitt und die sie umgebenden Kanäle (5) in der Brennerplatte (1) einen runden oder eckigen drehsymmetrischen Querschnitt aufweisen.

4. Außenmischender Flächenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich unterhalb der Zentrier- und Prallplatte (2) jeweils eine Kammer für das Oxidationsmittel (8) und das Brenngas (10) befinden, die durch eine Brenngasverteilerplatte (9) voneinander gasdicht getrennt sind und jeweils einen Anschluß (11, 12) für eine äußere Zuleitung aufweisen.

5. Außenmischender Flächenbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralrohre (7) mit der Brenn­ gaskammer (10) in Verbindung stehen und in entsprechend der Brennerplatte (1) angeordneten Bohrungen in der Brenngasverteilerplatte (9) eingelötet sind.

6. Außenmischender Flächenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerplatte (1) und die Zentrier- und Prallplatte (2) aus

• - einem Stück,
• - jeweils einem Stück,
• - Metall oder
• - hochtemperaturbeständiger Keramik gefertigt sind.

7. Außenmischender Flächenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Oxidationsmit­ tel

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