DE4430889A1 - Verbrennungsoptimierter Blaubrenner - Google Patents
Verbrennungsoptimierter BlaubrennerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Brenner für flüssige Medien
umfassend ein Brennergehäuse, welches ein Stützrohr und
ein sich daran anschließendes Flammrohr aufweist, einen in
dem Stützrohr in einer Vorkammer angeordneten Düsenstock
mit einer einen Brennstoffstrahl erzeugenden Düse, eine in
dem Flammrohr angeordnete im wesentlichen mischrohrfreie
Brennerkammer in welcher sich der Brennstoffstrahl aus
breitet, ein Trennelement zwischen der Vorkammer und der
Brennkammer mit einer zentralen Öffnung, durch welche der
Brennstoffstrahl hindurchtritt, ein Gebläse zur Erzeugung
eines in die Brennkammer eintretenden Brennluftstroms,
welcher einen brennstoffstrahlnahen Teilstrom umfaßt,
wobei in der Brennkammer der Brennstoff mit einer blau
brennenden Flamme im wesentlichen stöchiometrisch oder
nahstöchiometrisch verbrennt.
Die DE-OS 40 09 222 offenbart einen Brenner zum stöchio
metrischen Verbrennen von flüssigen oder gasförmigen
Brennstoffen aus einer Zerstäuberdüse. Bei diesem Brenner
wird um die Zerstäuberdüse herum durch eine Blende Luft in
eine Brennkammer geführt, in welche der aus der Düse aus
tretende Brennstoff ebenfalls eintritt.
Zusätzlich sind in der Wand der Brennkammer parallel zur
Strömungsrichtung verlaufende schlitzförmige Öffnungen
vorgesehen, über welche eine Rezirkulation von kalten
Verbrennungsgasen von außerhalb des Brennerrohrs erfolgt,
die zu dem Brennstoff und der um die Zerstäuberdüse herum
eintretenden Luft hinzugemischt werden, um in dem Brenn
raum eine stöchiometrische Verbrennung zu erhalten.
Die EP-A-0 430 011 offenbart ebenfalls einen blaubrennen
den Brenner, bei welchem um eine Zerstäuberdüse herum ein
Gemisch aus Frischluft und rezirkulierenden Verbrennungs
gasen zugeführt und vermischt werden, bevor sie wieder mit
dem von der Zerstäuberdüse kommenden Brennstoff zu einer
stöchiometrischen Verbrennung führen.
Bei allen Ausführungsbeispielen erfolgt vor der Ebene, in
welcher eine Mündungsöffnung der Düse liegt, eine Ver
mischung von Brennluft und rezirkulierendem Verbrennungs
gas und nach dieser in einer Mischkammer eine Vermischung
der Brennluft und der rezirkulierenden Verbrennungsgase
mit dem Brennstoff, die danach in die eigentliche Brenn
kammer eintreten. Bei besonderen Ausführungsbeispielen ist
die Zuführung der Frischluft geteilt, einerseits in einen
ersten Teil, der sich direkt mit den rezirkulierenden Ver
brennungsgasen vermischt, und andererseits in einen zwei
ten Teil, welcher die Zerstäuberdüse umströmt und dazu
dient, die Zerstäuberdüse zu kühlen, so daß die Kühlung
der Zerstäuberdüse, insbesondere der Öldüse, einstellbar
ist. Auch diese Frischluft wird dann in einer Mischkammer
mit der übrigen Frischluft und dem rezirkulierenden Ver
brennungsgas sowie dem Brennstoff vermischt.
Aus der DE-OS 27 12 564 ist ein regelbarer Brenner be
kannt, bei welchem eine Stauscheibe vorhanden ist und
stromabwärts der Stauscheibe ein Unterdruckgebiet durch
ein Erzeugen einer rotierenden hohlen Luftsäule geschaffen
wird, so daß Verbrennungsgase in dieses Unterdruckgebiet
zurückgesaugt werden. Die rotierende hohle Luftsäule wird
dabei durch in radialer Richtung verlaufende und mit
Hutzen abgedeckte Radialschlitze erzeugt.
Zusätzlich sind noch für höhere Leistungen äußere Luftzu
führungen für Frischluft vorgesehen.
Zusätzlich ist die Zerstäuberdüse mit den Zündelektroden
in einem abgeschlossenen Raum angeordnet, dem nur soviel
Frischluft zugeführt wird, wie zum Bewegen des Zündfunkens
erforderlich ist.
Die DE-PS 29 08 427 offenbart einen Brenner, bei welchem
zunächst unter Zugabe von Rauchgasen eine unterstöchiome
trische Verbrennung in einer primären Verbrennungszone mit
unmittelbarer Zufuhr eines den Brennstoffstrom umhüllenden
Mantelluftstroms erfolgt und anschließend in einer über
stöchiometrischen sekundären Verbrennungszone, in der
Restluft über den Umfangsbereich der primären Verbren
nungszone zugeführt wird, eine weitere Verbrennung er
folgt.
Die Restluft wird dabei koaxial um den jeweiligen Brenner
herum geregelt in mindestens zwei Teilströmen zugeführt,
die von der Brennermündung aus nach einer bestimmten
freien Strömungsstrecke die Flamme erreichen.
Aus der DE-OS 31 09 988 ist ein sogenannter Blaubrenner
bekannt, bei welchem über ein Mischrohr eine innere Rezir
kulation erzwungen wird, wobei dem aus einer Zerstäuber
düse austretenden Brennstoffstrahl einerseits diesen un
mittelbar umgebende Verbrennungsluft zugeführt wird und
andererseits radial außenliegend weitere Luftdurchtritts
bohrungen vorgesehen sind, die allerdings radial innerhalb
des Mischrohrs liegen.
Aus der EP-A-0 538 761 ist ein Brenner mit einer Rezirku
lation bekannt, bei welcher die äußere Rezirkulation durch
eine Längsrichtung der Schlitze erzeugt wird, wobei diese
Schlitze mit ihrer Längsrichtung in Umfangsrichtung ver
lauten.
Darüber hinaus wird Frischluft, die die Düse umströmt,
durch eine Blende in den Brennraum eingeblasen.
Ähnliche Brenner sind beispielsweise aus der
DE-PS 27 00 671 oder der DE-PS 38 01 681 bekannt.
Bei diesen Brennern ist zur Ausbildung einer stabilen
Rezirkulationsströmung ein sogenanntes Mischrohr erforder
lich, welches eine einzige Rezirkulationsströmung von
heißem Gas festlegt und somit ein Blaubrennen der Flamme
ermöglicht.
Unter einem Blaubrennen der Flamme ist dabei zu verstehen,
daß diese Flamme einen vollständig vergasten Brennstoff
verbrennt, was insbesondere bei Verwendung von Öl als
Brennstoff erforderlich macht, die aus der Düse in den
Brennstoffstrahl zunächst austretenden kleinen Öltröpfchen
bis zur Verbrennung durch die Flamme im wesentlichen voll
ständig zu verdampfen.
Das Problem bei diesen bekannten Brennern besteht darin,
daß die Gesamtkonzeption des Brenners eine Abstimmung
aller Teile für eine einzige Brennerleistung erforderlich
macht, so daß ein Brenner für andere Brenner-Leistungen
eine völlige Neukonstruktion erfordert.
Ausgehend von der DE-OS 40 09 222 liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, einen Brenner der gattungsgemäßen Art
derart zu verbessern, daß eine möglichst schadstoffarme
und stabile stöchiometrische oder nahstöchiometrische Ver
brennung erlaubt.
Diese Aufgabe wird bei einem Brenner der eingangs be
schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in die
Brennkammer zusätzlich zum brennstoffstrahlnahen Teilstrom
ein gegenüber diesem in definiertem Abstand radial außen
liegender rezirkulationsstabilisierender Teilstrom von
Brennluft eintritt, daß sich in der Brennkammer eine von
der blaubrennenden Flamme zum nichtbrennenden Teil des
Brennstoffstrahls zurückverlaufende innere Rezirkulations
strömung ausbildet und daß der rezirkulationsstabilisie
rende Teilstrom der Brennluft die innere Rezirkulations
strömung stabilisiert.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu
sehen, daß durch den zusätzlichen rezirkulationsstabi
lisierenden Teilstrom der Brennluft eine Stabilisierung
der inneren Rezirkulationsströmung in der Brennkammer
möglich ist.
Damit ist ein Brenner geschaffen, bei welchem durch die
lokal definierte Zufuhr des Brennluftstroms die Möglich
keit besteht, im wesentlichen ohne mechanische strömungs
leitende Elemente in der Brennkammer stabile Rezirkula
tionsströmungen und somit ein Blaubrennen der Flamme zu
gewährleisten.
Alternativ oder ergänzend hierzu wird die vorstehend ge
nannte Aufgabe bei einem Brenner der eingangs beschrie
benen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Brenner
gehäuse Öffnungen vorgesehen sind, durch welche eine kalte
Verbrennungsgase führende äußere Rezirkulationsströmung in
die Brennkammer eintritt, daß die äußere Rezirkulations
strömung nahe des Trennelements in die Brennkammer ein
tritt und so groß ist, daß eine Flammenwurzel der blau
brennenden Flamme einen Abstand von mindestens 1 cm von
der Düse aufweist, und daß sich zwischen der Düse und der
Flammenwurzel ein nichtbrennender Teil des Brennstoff
strahls unter Zumischung von Brennluft kegelförmig aus
breitet.
Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Lösung ist insbeson
dere darin zu sehen, daß die äußere Rezirkulationsströ
mung, die gemäß dem Stand der Technik lediglich dazu ein
gesetzt wurde, den Gehalt an schädlichen Verbrennungs
gasen, insbesondere Stickoxiden, zu reduzieren, nunmehr
erfindungsgemäß dazu eingesetzt wird, die Flammenwurzel in
ausreichend großem Abstand von der Düse zu positionieren,
nämlich dadurch, daß über die äußere Rezirkulationsströ
mung in ausreichendem Maße zusätzliches, im wesentlichen
nicht oder nur in geringem
Maße oxidierendes Gas in die Brennkammer eingeführt wird,
somit den Massenstrom durch die Brennkammer erhöht und
damit den notwendigen Abstand zwischen der Flammenwurzel
und der Düse herbeiführt, der erforderlich ist, um einen
ausreichend langen nichtbrennenden Teil des Brennstoff
strahls zu erhalten, der erforderlich ist, um ein voll
ständiges Verdampfen der Tröpfchen zu erreichen.
Insbesondere wird bei diesem Ausführungsbeispiel durch die
ausreichende Länge des nichtbrennenden Teils des Brenn
stoffstrahls die Möglichkeit geschaffen, die heißen Gase
aus der inneren Rezirkulationsströmung dem nichtbrennenden
Teil des Brennstoffstrahls zuzumischen und damit wiederum
die Möglichkeit, die Öltröpfchen im Brennstoffstrahl mit
Sicherheit bis zur Flammenwurzel zu verdampfen, so daß
letztlich eine stabile blaubrennende Flamme entsteht, die
in hohem Maße unempfindlich gegen kleinere Änderungen in
den Einstellparametern ist.
Alternativ oder ergänzend zu den vorstehend beschriebenen
Lösungen wird die vorstehend genannte Aufgabe bei einem
Brenner der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß im Brennergehäuse Öffnungen vorgesehen sind,
durch welche eine äußere, kalte Verbrennungsgase führende
Rezirkulationsströmung in die Brennkammer eintritt, daß
die äußere Rezirkulationsströmung nahe des Trennelements
in die Brennkammer eintritt und daß diese eine innere
Rezirkulationsströmung gegenüber dem Trennelement ab
schirmt, welche sich als in der Brennkammer von der blau
brennenden Flamme zum nichtbrennenden Teil des Brennstoff
strahls zurückverlaufende Strömung ausbildet.
Bei dieser erfindungsgemäßen Lösung wird die üblicherweise
zur Reduktion der Schadstoffe, insbesondere der Stick
oxide, eingesetzte äußere Rezirkulationsströmung erfin
dungsgemäß dazu eingesetzt, die heißen Verbrennungsgase
der inneren Rezirkulationsströmung gegenüber dem kalten
Trennelement abzuschirmen und somit eine zu starke Abküh
lung dieser heißen Verbrennungsgase durch das kalte Trenn
element zu verhindern. Vielmehr werden diese heißen Ver
brennungsgase im wesentlichen ohne oder mit nur geringer
Abkühlung dem Brennstoffstrahl zugeführt, um durch den
Wärmeeintrag ein möglichst optimales Verdampfen der Öl
tröpfchen zu gewährleisten.
Die erfindungsgemäße Lösung hat außerdem im Zusammenhang
mit der Verwendung einer äußeren Rezirkulationsströmung
den großen Vorteil, daß aufgrund der fehlenden mecha
nischen Strömungsleitelemente im Brennraum, insbesondere
aufgrund des fehlenden Mischrohrs, keine Probleme hin
sichtlich des Schadstoffemission beim Start des Brenners
auftreten, die dazu führen, daß die äußere Rezirkulation
variierend eingestellt werden muß. Vielmehr bietet die
erfindungsgemäße Lösung den großen Vorteil, daß bereits
beim Start des Brenners eine optimale schadstoffarme Ver
brennung erfolgt, so daß die aufwendige Regulierung der
äußeren Rezirkulation, wie beispielsweise in der
DE-PS 39 06 854 beschrieben, zwar noch durchgeführt werden kann,
jedoch aufgrund der erhältlichen guten Schadstoffwerte
ohne diese Regulierung nicht erforderlich ist.
Hinsichtlich des Verlaufs der inneren Rezirkulations
strömung in der Brennkammer wurden bislang keine näheren
Angaben gemacht. So sieht ein vorteilhaftes Ausführungs
beispiel vor, daß die innere Rezirkulationsströmung von
der Flamme ausgehend auf einer Innenseite des Flammrohrs
in Richtung des Trennelementes strömt. In dieser Lage läßt
sich die innere Rezirkulationsströmung durch den rezirku
lationsstabilisierenden Teilstrom der Brennluft besonders
einfach und nachhaltig stabilisieren.
Bei einem besonders zweckmäßigen Ausführungsbeispiel mit
innerer Rezirkulationsströmung ist die innere Rezirkula
tionsströmung gelbbrennend.
Eine besonders vorteilhafte Wirkung der inneren Rezirku
lationsströmung, insbesondere hinsichtlich des Wärmeüber
trags auf den Brennstoffstrahl zur Verdampfung der Öl
tröpfchen läßt sich dann erreichen, wenn die innere Re
zirkulationsströmung durch den rezirkulationsstabili
sierenden Teilstrom hindurchtritt.
Hinsichtlich der Richtung, mit welcher der rezirkulations
stabilisierende Teilstrom in die Brennkammer eintritt
wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der
Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht. Bei
spielsweise könnte der rezirkulationsstabilisierende Teil
strom parallel zum Kegelmantel des Brennstoffstrahls ge
richtet sein. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn
der rezirkulationsstabilisierende Teilstrom im wesent
lichen parallel zur Strömungsrichtung des Brennstoff
strahls in die Brennkammer eintritt.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Teilströme
unabhängig von der eingestellten Luftmenge an jeweils dem
selben Ort in die Brennkammer eintreten.
Durch die lokale Festlegung des Eintritts der Teilströme
in die Brennkammer läßt sich die Stabilisierung der Rezir
kulationsströmung bei jeder Einstellung von Brennstoff
menge und Luftmenge besonders vorteilhaft mit einfachsten
Mitteln erreichen.
Im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung einzelner
Ausführungsbeispiele wurde nicht darauf eingegangen, über
welche Teilströme die Luftmenge eingestellt wird.
Aus der Verbrennungsrechnung wäre es rein theoretisch mög
lich, über den brennstoffstrahlnahen Teilstrom oder über
den rezirkulationsstabilisierenden Teilstrom oder über
beide die Luftmenge einstellbar zu machen.
Aus Gründen der Einfachheit und einer strömungsgünstigen
Lösung ist es jedoch vorteilhaft, wenn zur Einstellung der
Luftmenge nur einer der Teilströme zur Anpassung an die
Brennstoffmenge einstellbar ist.
Zur Stabilisierung der Rezirkulationsströmungen bei jeder
Einstellung von Luftmenge und Brennstoffmenge hat es sich
als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn der rezirkula
tionsstabilisierende Teilstrom hinsichtlich der Luftmenge
einstellbar ist. Über die Einstellbarkeit des rezirkula
tionsstabilisierenden Teilstroms läßt sich insbesondere
eine vorteilhafte Stabilisierung der Rezirkulationsströ
mung bei jeder Brennerleistung
erreichen, da dieser Teilstrom direkt auf die Ausbildung
der Rezirkulationsströmungen einwirkt und somit eine Ein
stellung desselben so vornehmbar ist, daß direkt die Re
zirkulationsströmung aufgrund des lokalen Eintritts dieses
Teilstroms in die Brennkammer stabilisierbar ist.
Vorzugsweise tritt der rezirkulationsstabilisierende Teil
strom in Form eines in Umfangsrichtung unterbrochenen
Ringstroms um deren Brennstoffstrahl in die Brennkammer
ein, wodurch die Stabilisierung der Rezirkulationsströmung
noch weiter verbessert wird, da an den Stellen der Unter
brechung eine "Durchströmung" des Ringstroms in radialer
Richtung in einfacher Weise möglich ist, während zwischen
den Unterbrechungen stabilisierende Wirbel erzeugt werden.
Da bei maximaler Brennstoffmenge eine maximale Gasge
schwindigkeit in der Flamme auftritt, ist es ferner be
sonders vorteilhaft, wenn die Luftmenge im rezirkulations
stabilisierenden Teilstrom bei maximaler Brennstoffmenge
maximal und bei minimaler Brennstoffmenge minimal ist, so
daß die Luftmenge des rezirkulationsstabilisierenden Teil
stroms bei maximaler Brennstoffmenge und somit größter
Gasgeschwindigkeit der Flamme ebenfalls eine ausreichende
Rezirkulationsströmung für ein Blaubrennen der Flamme in
der Brennkammer aufrechterhält.
Hinsichtlich der Einstellbarkeit der Rezirkulationsströ
mung hat es sich ferner als vorteilhaft erwiesen, wenn die
Luftmenge im brennstoffstrahlnahen Teilstrom bei allen
Einstellungen der Brennstoffmenge
konstant ist, so daß der brennstoffstrahlnahe Teilstrom
stets eine Grundversorgung des Brennstoffstrahls mit Luft
sicherstellt. Im Extremfall ist die Luftmenge im brenn
stoffstrahlnahen Teilstrom so dimensioniert, daß bei maxi
maler Brennstoffmenge die Luftmenge im rezirkulations
stabilisierenden Teilstrom maximal ist und bei minimaler
Brennstoffmenge der Brennluftstrom lediglich durch den
brennstoffstrahlnahen Teilstrom gebildet wird.
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfin
dungsgemäßen Brenners ist vorgesehen, daß die Luftmenge im
brennstoffstrahlnahen Teilstrom zwischen ungefähr dem
0,6fachen und ungefähr dem 0,2fachen der Luftmenge des
maximalen rezirkulationsstabilisierenden Teilstroms liegt,
wobei dies insbesondere bei einem Brenner vorgesehen ist,
dessen Brenner-Leistung um einen Faktor fünf variierbar
ist.
Hinsichtlich der Art der Ausbildung des Brennstoffstrahls
wurden bei der Erläuterung der bisherigen Ausführungsbei
spiele keine näheren Angaben gemacht. So sieht ein beson
ders einfaches und wirkungsvoll arbeitendes Ausführungs
beispiel vor, daß der Brennstoffstrahl einen von einer
einfach zusammenhängenden Düsenöffnung ausgehenden Spitz
kegel, insbesondere im wesentlichen einen Vollkegel,
bildet, in welchem eine möglichst homogene Verteilung
möglichst homogener Tröpfchen des Öls vorliegt.
Hinsichtlich der Ausrichtung des brennstoffstrahlnahen
Teilstroms beim Eintritt in die Brennkammer wurden eben
falls noch keine näheren Angaben gemacht. So sieht ein
vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, daß der
brennstoffnahe Teilstrom im wesentlichen parallel zur
Strömungsrichtung des Brennstoffstrahls in die Brennkammer
eintritt.
Vorzugsweise tritt der brennstoffstrahlnahe Teilstrom
dabei den Brennstoffstrahl umströmend in die Brennkammer
ein, um eine gute Vermischung dieses Teils der Brennluft
mit dem Brennstoffstrahl in der Brennkammer zu ermög
lichen.
Besonders vorteilhaft läßt sich dies dann erreichen, wenn
der brennstoffstrahlnahe Teilstrom und der Brennstoff
strahl durch dieselbe zentrale Einströmöffnung im Trenn
element in die Brennkammer eintreten.
Hinsichtlich des Orts der Zufuhr des brennstoffstrahlnahen
Teilstroms in die Brennkammer wurden bislang keine näheren
Angaben gemacht. So sieht ein vorteilhaftes Ausführungs
beispiel vor, daß der brennstoffstrahlnahe Teilstrom im
Bereich eines Umfangs des Düsenkopfs der Düse in die
Brennkammer einströmt.
Noch vorteilhafter ist es jedoch, insbesondere aufgrund
der räumlichen Gegebenheiten im Bereich der Düse, wenn der
brennstoffstrahlnahe Teilstrom entlang eines definierten
Außenprofils des Düsenkopfs strömt und somit in unmittel
barer Nähe des Brennstoffstrahls in die Brennkammer ein
tritt.
Im einfachsten Fall läßt sich der für den brennstoff
strahlnahen Teilstrom erforderliche Querschnitt dadurch
zur Verfügung stellen, daß der
brennstoffstrahlnahe Teilstrom durch einen Durchlaß
zwischen dem Düsenkopf und einem Rand einer für den brenn
stoffstrahlnahen Teilstrom vorgesehenen Einströmöffnung in
die Brennkammer strömt, so daß die Größe des Durchlasses
den Strömungsquerschnitt für den brennstoffstrahlnahen
Teilstrom festlegt.
Eine besonders vorteilhafte Durchmischung des brennstoff
strahlnahen Teilstroms und des Brennstoffs in der Brenn
kammer ergibt sich dann, wenn die Einströmöffnung für den
brennstoffstrahlnahen Teilstrom Turbulenzen erzeugend aus
gebildet ist.
Im einfachsten Fall ist hierzu vorgesehen, daß die Ein
strömöffnung mit einer Wirbelkante oder einer Wirbel
schneide versehen ist.
Hinsichtlich des Aufbaus des Brennergehäuses wurden im
Zusammenhang mit den bisherigen Ausführungsbeispielen
keine detaillierten Angaben gemacht. So sieht ein vorteil
haftes Ausführungsbeispiel vor, daß das Brennergehäuse
eine Vorkammer umfaßt, in welchem die Düse angeordnet ist
und welche durch das Trennelement von der Brennkammer
getrennt ist. Ein derartiger Aufbau des Brennergehäuses
hat den Vorteil einer großen Einfachheit und hoher kon
struktiver Flexibilität.
Im Zusammenhang mit den bisherigen Ausführungsbeispielen
wurde nicht näher darauf eingegangen, wie der Brennluft
strom in die Brennkammer geführt ist.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der gesamte
Brennluftstrom durch die Vorkammer hindurchgeführt ist, da
dies einen besonders konstruktiv einfachen Aufbau des
Brenners gewährleistet.
Hierzu ist ebenfalls aus Gründen der konstruktiven Ein
fachheit vorzugsweise vorgesehen, daß der Brennluftstrom
durch das Trennelement hindurch in die Brennkammer ein
tritt.
Hinsichtlich der Führung der Brennluft durch das Trennele
ment ist zweckmäßigerweise vorgesehen, daß das Trennele
ment eine der Düse zugewandte Einströmöffnung für den
brennstoffstrahlnahen Teilstrom aufweist.
Darüber hinaus ist zweckmäßigerweise vorgesehen, insbeson
dere um den rezirkulationsstabilisierenden Teilstrom an
dem gewünschten Ort in die Brennkammer eintreten zu
lassen, daß das Trennelement relativ zu der Einström
öffnung für den brennstoffstrahlnahen Teilstrom mindestens
eine radial außenliegende Öffnung für den rezirkulations
stabilisierenden Teilstrom aufweist.
Hinsichtlich der Ausbildung der Brennkammer wurden im
Zusammenhang mit den bisherigen Ausführungsbeispielen
ebenfalls keine näheren Angaben gemacht. So sieht ein
vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, daß die Brennkammer
von einem Flammrohr des Brenners umschlossen ist, so daß
dieses Flammrohr des Brenners eine definierte geometrische
Umgebung der Brennkammer und somit insbesondere eine
definierte Ausbildung der Rezirkulationsströmungen zuläßt.
Dieses Flammrohr ist zur Absenkung der Stickoxidemission
vorzugsweise mit Öffnungen zur Ausbildung der äußeren
Rezirkulationsströmung versehen.
Hinsichtlich der Ausbildung der Brennkammer selbst wurden
im Zusammenhang mit der bisherigen Beschreibung der ein
zelnen Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht.
So sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, daß
die Brennkammer sich ausgehend von einer Ebene erstreckt,
welche nahe der Düsenöffnung liegt. Eine derartige Ausbil
dung der Brennkammer erlaubt eine optimale Führung der
einzelnen Rezirkulationsströmungen, insbesondere der
inneren und der äußeren Rezirkulationsströmung zu dem
nichtbrennenden Teil des Brennstoffstrahls.
Eine besonders einfache und effiziente Ausbildung der
Brennkammer sieht vor, daß diese zwischen dem Trennelement
und dem Bereich der Flammenwurzel einen im wesentlichen
konstanten Querschnitt aufweist. Dies ergibt den Vorteil,
daß ausreichend Raum zur Führung und Ausbildung der Rezir
kulationsströmungen, insbesondere der inneren Rezirkula
tionsströmung zur Verfügung steht.
Hinsichtlich des Trennelements wurden keine spezifischen
Angaben gemacht. Beispielsweise könnte das Trennelement
gemäß der EP 0 430 011 ausgebildet sein. Konstruktiv be
sonders einfach ist es jedoch wenn das Trennelement eine
Blende ist.
Auch die Blende könnte ihrerseits noch gewölbt ausgebildet
sein, wie folgt. Wie beispielsweise aus der
DE-OS 40 09 222 bekannt. Besonders vorteilhaft ist es
jedoch, wenn die Blende sich in einer Ebene erstreckt, da
eine derartige Form der Blende auch eine optimale Führung
der Rezirkulationsströmungen zum nichtbrennenden Teil des
Brennstoffstrahls im Bereich der Blende erlaubt.
Besonders günstig ist es, wenn die Brennkammer einen sich
vom nichtbrennenden Teil des Brennstoffstrahls durch
setzten und sich um diesen herumerstreckenden Rezirkula
tionsraum aufweist, welcher optimale Möglichkeiten zur
Zuführung der einzelnen Rezirkulationsströmungen zum
nichtbrennenden Teil des Brennstoffstrahls bietet.
Zweckmäßigerweise ist dabei der Rezirkulationsraum so aus
gebildet, daß er sich mindestens bis zur Flammenwurzel er
streckt, um ausreichend Raum für die innere Rezirkula
tionsströmung zu schaffen.
Um nun die Rezirkulationsströmungen besonders optimal
stabilisieren zu können ist vorgesehen, daß der rezirkula
tionsstabilisierende Teilstrom in den Rezirkulationsraum
eintritt.
Vorzugsweise ist der rezirkulationsstabilisierende Teil
strom so ausgebildet, daß er symmetrisch zu einer Achse
der Brennkammer und somit zu einer Achse des Rezirkula
tionsraums in diesen eintritt.
Vorzugsweise ist der rezirkulationsstabilisierende Teil
strom so ausgebildet, daß er in Form eines auf einem Zy
linder liegenden Strombildes in die Brennkammer eintritt.
Diese Form des rezirkulationsstabilisierenden Teilstroms
ermöglicht eine besonders optimale Stabilisierung der
inneren Rezirkulationsströmung.
Insbesondere ist dabei der Zylinder als Kreiszylinder aus
gebildet, welcher durch einen mittig desselben liegenden
Teilkreis festgelegt ist.
Hinsichtlich des Strombildes wurden keine näheren Ausfüh
rungen gemacht. Beispielsweise wäre es möglich, das Strom
bild als einheitliche geschlossene Ringströmung in Form
des Zylinders auszuführen. Besonders vorteilhaft ist es
jedoch, wenn das Strombild aus parallelen Einzelteilströ
men zusammengesetzt ist, da diese Einzelteilströme die
Möglichkeit schaffen, in besonders vorteilhafter Weise die
Rezirkulationsströmungen durch den rezirkulationsstabili
sierenden Teilstrom im Bereich des nichtbrennenden Teils
des Brennstoffstrahls hindurchtreten zu lassen.
Dies ist besonders vorteilhaft dann möglich, wenn die
Einzelteilströme in konstantem Winkelabstand zueinander
angeordnet sind, um definierte Zwischenräume zwischen den
einzelnen Einzelteilströmen zu schaffen, durch welche die
Rezirkulationsströmungen hindurchtreten können.
Hinsichtlich der Dimensionierung der Einzelteilströme im
Verhältnis zu den Winkelabständen zwischen denselben hat
es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Ver
hältnis des Winkelabstandes zwischen zwei Einzelteilströ
men zur Winkelbreite des Eintrittsquerschnitts jedes
Einzelteilstroms zwischen ungefähr 10 und ungefähr 0,1
liegt.
Noch vorteilhafter ist es, wenn dieses Verhältnis zwischen
ungefähr 2 und 0,1 liegt und besonders optimal hat es sich
erwiesen, wenn dieses Verhältnis im Bereich von ungefähr
1,5 bis ungefähr 0,3 liegt.
Ferner wurden bislang auch keine näheren Angaben zu der
Dimensionierung des Rezirkulationsraums gemacht. So ist
eine besonders optimale Wirkung des rezirkulationsstabili
sierenden Teilstroms dann erzielbar, wenn der Rezirkula
tionsraum einen Innendurchmesser aufweist, welcher unge
fähr 1,5- bis 3mal größer ist als der Durchmesser des
Teilkreises des Kreiszylinders.
Noch vorteilhafter ist es, wenn der Rezirkulationsraum
einen Innendurchmesser aufweist, welcher ungefähr 2- bis
ungefähr 2,5mal größer ist als der Durchmesser des Teil
kreises des Kreiszylinders. Besonders optimale Ergebnisse
haben sich ergeben, wenn der Innendurchmesser des Rezirku
lationsraums ungefähr 2,5mal so groß ist wie der Teil
kreisdurchmesser.
Um insbesondere die Flamme optimal zu stabilisieren, und
zu verhindern, daß die Flamme räumlich flackert, hat es
sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn sich an den
Rezirkulationsraum ein Flammraum anschließt.
Dieser Flammraum kann bei großen Leistungen denselben
Innendurchmesser aufweisen wie der Rezirkulationsraum,
insbesondere bei kleinen Leistungen hat es sich jedoch
hinsichtlich der räumlichen Stabilisierung als vorteilhaft
erwiesen, wenn der Flammraum einen Durchmesser aufweist,
welcher maximal gleich groß oder kleiner als der Rezirku
lationsraum ist.
Besonders bevorzugte Werte ergeben sich, wenn der Durch
messer des Flammraums im Bereich des ungefähr 0,6- bis
0,9fachen des Durchmessers des Rezirkulationsraums liegt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Innendurchmesser
des Flammraums im Bereich des ungefähr 0,8fachen des
Innendurchmessers des Rezirkulationsraums liegt.
Hinsichtlich der Ausdehnung der Brennkammer wurden eben
falls keine definierten Angaben gemacht. Ebenfalls um die
Flamme möglichst stabil zu halten, hat es sich als vor
teilhaft erwiesen, wenn die Flamme eine in der Brennkammer
liegende Flammenwurzel aufweist.
Hinsichtlich der Einleitung der äußeren Rezirkulations
strömung in die Brennkammer wurden bislang keine detail
lierten Angaben gemacht. So könnte beispielsweise die
Einleitung der äußeren
Rezirkulationsströmung in die Brennkammer entsprechend der
EP 0 430 011 erfolgen. Besonders vorteilhaft ist es je
doch, wenn die äußere Rezirkulationsströmung getrennt von
dem Brennluftstrom in die Brennkammer eintritt.
Dieses Ausführungsbeispiel hat den großen Vorteil, daß
sich die äußere Rezirkulationsströmung hierbei einerseits
definiert führen und andererseits hinsichtlich des Massen
stroms ebenfalls definiert einstellen läßt, was für die
erfindungsgemäßen Aspekte, insbesondere die Führung der
äußeren Rezirkulationsströmung zur Abschirmung der inneren
Rezirkulationsströmung vom Trennelement und die Dimensio
nierung des Massenstroms zum Erreichen eines ausreichend
langen nichtbrennenden Teils des Brennstoffstrahls von
Bedeutung ist. Damit ist auch das Volumen für die innere
Rezirkulationsströmung festgelegt.
Mit besonders einfachen Mitteln läßt sich dies konstruktiv
dann erreichen, wenn die äußere Rezirkulationsströmung
durch Rezirkulationsöffnungen im Flammrohr direkt in die
Brennkammer eintritt.
Hinsichtlich der Dimensionierung der äußeren Rezirkula
tionsströmung wurden bislang noch keine quantitativen An
gaben gemacht. So sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbei
spiel vor, daß eine Fläche der für den Eintritt des Brenn
luftstroms in die Brennkammer vorgesehenen Öffnungen maxi
mal ungefähr der Fläche der im Flammrohr vorgesehenen Re
zirkulationsöffnungen für die äußere Rezirkulationsströ
mung entspricht. Mit dieser Dimensionierung ist ein aus
reichend großer Massenstrom in der Rezirkulationsströmung
gewährleistet, um einen ausreichend langgestreckten Teil
des nichtbrennenden Brennstoffstrahls in der Brennkammer
zu erhalten.
Ferner ist es möglich in dem Flammrohr ein Strömungsstabi
lisierungselement anzuordnen, welches sich von der Blende
in Richtung eines Fußbereichs der Flamme bis maximal unge
fähr über ein Viertel des Abstands zwischen der Blende und
der Flamme erstreckt. Dieses Strömungsstabilisierungs
element hat nichts zu tun mit dem aus dem Stand der Tech
nik bekannten Mischrohr, da das bekannte Mischrohr nur die
Ausbildung einer einzigen Rezirkulationsströmung zuläßt,
während das erfindungsgemäße Strömungsstabilisierungs
element ebenfalls so ausgebildet ist, daß es die Ausbil
dung mehrerer durch den rezirkulationsstabilisierenden
Teilstrom definierbarer Rezirkulationsströmungen zuläßt,
insbesondere die Ausbildung der für die jeweiligen Brenn
stoffmengen und Luftmengen erforderlichen Rezirkulations
strömungen.
Aus diesem Grund ist es besonders vorteilhaft, wenn das
Strömungsstabilisierungselement sich maximal über ungefähr
ein Sechstel des Abstands zwischen der Blende und dem Fuß
bereich der Flamme erstreckt.
Die vorstehend erläuterten Strömungsstabilisierungsele
mente sind jedoch für die ausreichende Stabilisierung von
Rezirkulationsströmungen nicht zwingend notwendig und
schaffen stets die Gefahr von Rußablagerungen im Brenner.
Insbesondere dann, wenn Rußablagerungen in der Brennkammer
so gut wie möglich verhindert werden sollen, ist vor
teilhafterweise vorgesehen, daß die Brennkammer frei
von innerhalb derselben angeordneten Strömungsstabili
sierungselementen für die Rezirkulation ausgebildet ist.
Insbesondere ist dabei die Brennkammer - wie bereits ein
gangs erwähnt - mischrohrfrei ausgebildet.
Zur Frage der Einstellung der Luftmenge des Brennluft
stroms wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So
sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, daß zur
Einstellung der Luftmenge des Brennluftstroms eine Ein
stelleinrichtung vorgesehen ist.
Die Einstelleinrichtung ist vorzugsweise so ausgebildet,
daß bei einer Einstellung der Luftmenge der Ort des Ein
tritts des Brennluftstroms in die Brennkammer in radialer
Richtung zum Brennstoffstrahl im wesentlichen invariant
ist. Dies hat den großen Vorteil, daß durch die Festlegung
des Orts des Eintritts des Brennluftstroms eine optimale
Stabilisierung der Rezirkulation bei allen Einstellungen
von Brennstoffmenge und Brennluftmenge möglich ist.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die
Einstelleinrichtung lokal fixierte Öffnungen für den
Brennluftstrom aufweist, welche auf unterschiedliche Quer
schnitte einstellbar sind.
Zweckmäßigerweise ist dies konstruktiv so gelöst, daß die
Einstelleinrichtung ein drehbar an der Blende gelagertes
Einstellelement umfaßt, mit welchem der Querschnitt einer
in der Blende vorgesehenen Öffnung einstellbar ist.
Im einfachsten Fall ist dabei das Einstellelement als
drehbar an der Blende gelagerte Einstellscheibe ausge
bildet, welche in verschiedene Drehstellungen relativ zur
Blende und zu den in der Blende vorgesehenen Öffnungen
bringbar ist.
Dieses Einstellelement kann einerseits so ausgebildet
sein, daß es in verschiedene diskrete Einstellpositionen
einstellbar ist.
Alternativ dazu, ist es vorteilhaft, wenn das Einstellele
ment kontinuierlich einstellbar ist, so daß damit konti
nuierlich die Querschnitte zwischen einem Maximalwert und
einem Minimalwert variierbar sind.
Die Einstelleinrichtung kann so ausgebildet sein, daß sie
manuell, beispielsweise mit einem entsprechenden Werkzeug,
einstellbar ist.
Im Fall einer variablen Steuerung der Luftmenge ist es
besonders vorteilhaft, wenn die Einstelleinrichtung über
einen ansteuerbaren Stellantrieb einstellbar ist.
Hinsichtlich der Einstellbarkeit der Düse wurden bislang
ebenfalls keine weiteren Angaben gemacht. So sieht ein
vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, daß die Düse eine
Rücklaufdüse ist.
Eine derartige Rücklaufdüse läßt sich besonders einfach
dadurch einstellen, daß dieser ein einstellbares
Rücklaufventil zugeordnet ist, welches ermöglicht, den
Rücklauf der Rücklaufdüse variabel einzustellen und somit
auch die von der Düse abgegebene Brennstoffmenge einzu
stellen.
Im einfachsten Fall ist das Rücklaufventil so ausgebildet,
daß mit diesem verschiedene Brennstoffmengen des Brenn
stoffstrahls fest einstellbar sind. Noch vorteilhafter ist
es jedoch, wenn das Rücklaufventil kontinuierlich ein
stellbar ist, so daß eine kontinuierliche Einstellung und
Anpassung der Brennstoffmenge möglich ist.
Insbesondere dann, wenn die Brennstoffmenge gesteuert
werden soll, ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß das
Rücklaufventil mittels eines Stellantriebs einstellbar ist.
Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfin
dungsgemäßen Lösung sieht vor, daß der Brenner eine Steue
rung aufweist, mit welcher die Brennstoffmenge und die
Luftmenge des Brennluftstroms einstellbar sind. Mit einer
derartigen Steuerung läßt sich insbesondere in einfacher
Weise eine optimale Einstellung sowohl der Brennstoffmenge
als auch der Brennluftmenge, insbesondere im Hinblick auf
eine stöchiometrische oder nahstöchiometrische Verbren
nung, erreichen.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die Steuerung den
Stellantrieb des Rücklaufventils ansteuert.
Alternativ oder ergänzend dazu ist es vorteilhaft, wenn
die Steuerung den Stellantrieb der Einstelleinrichtung
ansteuert.
Im Fall einer Ansteuerung nur eines der beiden Stellan
triebe ist es denkbar, die Einstellung der Brennstoffmenge
oder der Luftmenge, oder umgekehrt, fest vorzugeben und
über den Stellantrieb für die jeweils andere Größe eine
Feineinstellung vorzunehmen. Besonders vorteilhaft ist es
jedoch, wenn die Steuerung sowohl den Stellantrieb des
Rücklaufventils als auch den Stellantrieb der Einstellein
richtung ansteuert.
Ferner ist es vorteilhaft, insbesondere um eine voll
ständige Verbrennung des Brennstoffs zu gewährleisten,
wenn der Steuerung eine eine vollständige Verbrennung
erfassende Sonde zugeordnet ist.
Damit besteht zusätzlich noch die Möglichkeit, daß die
Steuerung die Luftmenge und die Brennstoffmenge ent
sprechend einer stöchiometrischen oder nahstöchiome
trischen Verbrennung einstellt.
Hinsichtlich der Vorgabe der Brennerleistung sind beim
Vorsehen einer erfindungsgemäßen Steuerung ebenfalls
mehrere Möglichkeiten denkbar. So sieht ein vorteilhaftes
Ausführungsbeispiel vor, daß der Steuerung Brenner
leistungen fest vorgebbar sind. Alternativ dazu ist es
denkbar, daß der Steuerung Brennerleistungen variabel
vorgebbar sind.
Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel sieht vor,
daß die Steuerung entsprechend einer vorgegebenen Leistung
Brennstoffmenge und Luftmenge einerseits entsprechend
dieser Leistung und andererseits hinsichtlich einer
stöchiometrischen oder nahstöchiometrischen Verbrennung
regelt.
Im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Ausführungsbei
spielen wurde bislang davon ausgegangen, daß die Einstell
barkeit der Brennstoffmenge über die Düse durch ein und
dieselbe Düse möglich ist.
Alternativ dazu sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbei
spiel vor, daß die Brennstoffmenge dadurch einstellbar
ist, daß der Brenner als Bausatz mit in dasselbe Brenner
gehäuse einsetzbaren unterschiedlichen Düsen ausgebildet
ist. Die Einstellung der Brennstoffmenge erfolgt dadurch,
daß jeweils die entsprechende Düse in den Brenner einge
setzt wird.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die Düsen alle im
wesentlichen dasselbe Sprühbild und insbesondere eine im
wesentlichen gleiche luftströmungsseitige Außenkontur auf
weisen und lediglich unterschiedliche Brennstoffmengen ab
geben.
Ferner sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel be
treffend die Einstellung der Luftmenge vor, daß die Luft
menge derart einstellbar, daß der Brenner als Bausatz mit
in dasselbe Brennergehäuse auswechselbar einsetzbaren Ein
stellteilen für die Luftmenge des Brennluftstroms ausge
bildet ist. Durch das Vorsehen der unterschiedlichen Ein
stellteile ist somit eine Einstellung des Brennluftstroms
möglich.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn mit den Einstell
teilen der lokale Eintritt des Brennluftstroms in die
Brennkammer ebenfalls einstellbar ist.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß bei allen Einstell
teilen mindestens ein Teilstrom des Brennluftstroms ein
stellbar ist.
Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn der Einströmort
der Teilströme bei allen Einstellteilen derselbe ist.
Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel sieht vor,
daß bei den Einstellteilen der brennstoffstrahlnahe Teil
strom konstant ist, während der rezirkulationsstabilisie
rende Teilstrom mit unterschiedlichen Einstellteilen auf
unterschiedliche Werte einstellbar ist.
Hinsichtlich der konstruktiven Lösung ist bei einem beson
ders vorteilhaften Ausführungsbeispiel vorgesehen, daß der
Bausatz für alle Brennerleistungen ein identisches
Brennergehäuse umfaßt.
Insbesondere ist vorgesehen, daß der Bausatz für alle
Brennerleistungen ein identisches Gebläse umfaßt.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Bausatz eine iden
tische Brennkammer umfaßt.
Schließlich ist es vorteilhaft, wenn der Bausatz bei allen
Brennerleistungen einen identischen Düsenstock umfaßt.
Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung
sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der
zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungs
beispiel eines erfindungsgemäßen Brenners;
Fig. 2 einen ausschnittsweisen Längsschnitt durch eine
Düse des erfindungsgemäßen Brenners;
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Frontbereichs
der Düse gemäß Fig. 2;
Fig. 4 einen Schnitt längs Linie IV-IV in Fig. 3;
Fig. 5 einen Schnitt längs Linie V-V in Fig. 1 bei maxi
malem oder auf null reduziertem rezirkulations
stabilisierendem Teilstrom mit teilweise wegge
brochener Einstellscheibe;
Fig. 6 einen Schnitt wie in Fig. 5 bei reduziertem rezir
kulationsstabilisierendem Teilstrom mit teilweise
weggebrochener Einstellscheibe;
Fig. 7 einen Schnitt wie in Fig. 5 bei minimalem rezir
kulationsstabilisierendem Teilstrom;
Fig. 8 eine perspektivische Darstellung der Verhältnisse
in der Brennkammer bei teilweise weggebrochenem
Flammrohr;
Fig. 9 eine vergrößerte ausschnittsweise Darstellung des
in Fig. 1 gezeigten Schnitts im Bereich der
Blende, bei maximalem rezirkulationsstabilisie
rendem Teilstrom in der oberen und auf null redu
ziertem minimalem rezirkulationsstabilisierendem
Teilstrom in der unteren Hälfte;
Fig. 10 einen Schnitt ähnlich Fig. 1 eines zweiten Aus
führungsbeispiels des erfindungsgemäßen Brenners;
Fig. 11 einen Schnitt ähnlich Fig. 1 eines dritten Aus
führungsbeispiels des erfindungsgemäßen Brenners;
Fig. 12 einen Schnitt ähnliche Fig. 1 eines vierten Aus
führungsbeispiels;
Fig. 13 einen Schnitt ähnlich Fig. 1 eines fünften Aus
führungsbeispiels;
Fig. 14 einen Schnitt ähnlich Fig. 1 eines sechsten Aus
führungsbeispiels des erfindungsgemäßen Brenners;
Fig. 15 einen Schnitt längs Linie XII-XII in Fig. 14 bei
maximalem rezirkulationsstabilisierendem Teil
strom und der zur Einstellung desselben vorge
sehenen Blende;
Fig. 16 einen Schnitt wie in Fig. 15 bei eingesetzter
Blende für einen reduzierten rezirkulations
stabilisierenden Teilstrom; und
Fig. 17 einen Schnitt wie in Fig. 15 bei eingesetzter
Blende für den minimalen, auf Null reduzierten
rezirkulationsstabilisierenden Teilstrom.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Brenners, dargestellt in Fig. 1, umfaßt ein als ganzes mit
10 bezeichnetes Brennergehäuse mit einem Stützrohr 12 und
einem sich an dieses anschließenden Flammrohr 14.
In dem Stützrohr 12 ist in einem dem Flammrohr gegenüber
liegenden Endbereich ein als ganzes mit 16 bezeichnetes
Gebläse angeordnet, welches einen Gebläseantrieb 18 und
ein Gebläserad 20 umfaßt. Dieses Gebläse 16 erzeugt einen
das Stützrohr 12 durchsetzenden Luftstrom 22, welcher in
Richtung des Flammrohrs 14 strömt.
Ferner ist in dem Stützrohr 12 ein als ganzes mit 24 be
zeichneter Düsenstock angeordnet, welcher einen Düsen
träger 26 mit einer in diesen eingeschraubten Düse 28 auf
weist. Die Düse 28 ist dabei als nachfolgend noch im ein
zelnen beschriebene Rücklaufdüse ausgebildet und wird über
eine Düsenzuleitung 30 mit flüssigem Brennstoff, insbeson
dere Öl, versorgt, während über eine Düsenrücklaufleitung
32 ein Teil des in der Düsenzuleitung 30 zugeführten
Brennstoffs wieder zurückfließt, wobei eine Drosselung des
Rücklaufs über ein in der Düsenrücklaufleitung 32 ange
ordnetes einstellbares Rücklaufventil 34 möglich ist.
Die Einspeisung des Brennstoffs in die Düsenzuleitung 30
erfolgt über eine Brennstofförderpumpe 36, welche vorzugs
weise von dem Antrieb 18 des Gebläses 16 mitangetrieben
ist, insbesondere auf derselben Welle wie das Gebläserad
20 sitzt. Diese Brennstofförderpumpe 36 wird über eine
Pumpenzuleitung 38 mit Brennstoff gespeist und ist außer
dem mit einer Rücklaufleitung 40 verbunden, in welcher
überschüssiger Brennstoff von der Brennstofförderpumpe 36
zurückfließt. In diese Rücklaufleitung 40 mündet auch die
Düsenrücklaufleitung 32 nach dem Rücklaufventil 34.
Wie in Fig. 2, 3 und 4 dargestellt, umfaßt die Düse 28
einen Düsenkopf 50, welcher seinerseits auf einen Düsen
körper 52 aufgeschraubt ist, und einen Drallkörper 54
aufnimmt.
Der Düsenkopf 50 ist seinerseits ebenfalls noch in den
Düsenträger 26 eingeschraubt, so daß der Düsenkörper 52 in
einer Ausnehmung 56 des Düsenträgers 26 liegt, wobei die
Ausnehmung 56 einen Brennstoffzufuhrbereich 58 bildet,
welcher mit der Düsenzuleitung 30 verbunden ist und einen
Rücklaufbereich 60, welcher mit der Düsenrücklaufleitung
32 verbunden ist.
Der in dem Brennstoffzufuhrbereich 58 eintretende Brenn
stoff durchströmt vorzugsweise ein Filter 62 und strömt
dann über zwei einander gegenüberliegende Einlaufkanäle 64
des Düsenkörpers 52 in weiterführende Einlaufkanäle 66 im
Drallkörper 54 und von diesen, wie in Fig. 3 dargestellt,
in einen ringförmigen Einlaufraum 68
des Drallkörpers 54, welcher durch ein den Drallkörper 54
stirnseitig abschließendes Abstützplättchen 70 ver
schlossen ist. Von dem ringförmigen Einlaufraum 68 tritt
der Brennstoff über Drallkanäle 72 in einen radial inner
halb des ringförmigen Einlaufraums 68 liegenden Drallraum
74 ein, in welchem sich eine entsprechend der Ausrichtung
der Drallkanäle 72 umlaufende Drallströmung ausbildet und
von diesem Drallraum 72 tritt der Brennstoff über einen
ringförmig umlaufenden Spalt 76 in eine Abspritzbohrung 78
ein, aus welcher ein kegelförmiger Brennstoffstrahl 80
austritt.
Der Abspritzbohrung 78 gegenüberliegend ist in dem Drall
körper 54 ein Rücklaufkanal 82 angeordnet, welcher den
Drallkörper 54 durchsetzt und in einen im Düsenkörper 52
angeordneten Rücklaufkanal 84 übergeht, der dann schließ
lich in den Rücklaufbereich 60 der Ausnehmung 56 mündet,
welcher dann seinerseits wiederum mit der Düsenrücklauf
leitung 32 in Verbindung steht.
Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäß verwendeten Düse
28 ergeben sich aus dem deutschen Patent 42 15 122, auf
welches in diesem Zusammenhang vollinhaltlich Bezug ge
nommen wird.
Der Düsenstock 24 mitsamt der Düse 28 ist innerhalb des
Stützrohrs 12 in einer Vorkammer 48 angeordnet, welche
ebenfalls von dem Luftstrom 22 durchsetzt ist.
Die Vorkammer 48 wird abgeschlossen durch eine als ganzes
mit 90 bezeichnete und in das Stützrohr 12 eingesetzte
Blende, an welche sich stromabwärts der Düse 28 gelegen
eine Brennkammer 92 anschließt, die von dem Flammrohr 14
umschlossen ist. Auch das Flammrohr 14 ist vorzugsweise an
dem Stützrohr 12 gehalten.
Die Blende 90 ist so angeordnet, daß die Abspritzbohrung
78 mit einer Düsenöffnung nahe bei oder in der Ebene 89
der Blende 90 liegt und der bei der Düse 28 austretende
Brennstoffstrahl 80 sich im wesentlichen vollständig in
der Brennkammer 92 ausbreitet.
Hierzu ist die Blende 90 mit einer koaxial zur Längsachse
86 der Düse 28 angeordneten Einströmöffnung 94 vergehen.
Die Einströmöffnung 94 ist ferner so groß gewählt, daß
zwischen einem Rand 96 der Einströmöffnung 94 und einer
diesem Rand 96 zugewandten Außenseite 98 des Düsenkopfs 50
ein ringförmiger Durchlaß 100 verbleibt, durch welchen ein
brennstoffstrahlnaher Teilstrom 102 eines insgesamt von
der Vorkammer 48 in die Brennkammer 92 einströmenden
Brennluftstroms hindurchtritt.
Um die Strömungsgeschwindigkeit in dem Teilstrom 102 zu
reduzieren, ist der Rand 96 der Einströmöffnung 94 noch
mit einer Wirbelkante 104 versehen, welche zur Wirbelbil
dung im Teilstrom 102 führt und beispielsweise durch eine
stufenförmige Querschnittsverengung der Einströmöffnung 94
gebildet ist.
Ein weiterer Teilstrom 106 des von der Vorkammer 48 in die
Brennkammer 92 eintretenden Brennluftstroms tritt durch
radial außerhalb der Einströmöffnung 94 in einem Kreis
ringbereich 108 angeordnete Öffnungen 110 hindurch, welche
auf einem Teilkreis 109 vorzugsweise in gleichen Winkelab
ständen und mit Zwischenräumen 111 um den Mittelpunkt des
Kreisringbereichs 108 angeordnet sind.
Vorzugsweise haben die Öffnungen 110 bezogen auf den Teil
kreis 109 eine Erstreckung in Azimutalrichtung welche
einem Winkel entspricht, der ungefähr das Ein- bis Zwei
fache des der Erstreckung der Zwischenräume 111 ent
sprechenden Winkels beträgt.
Die Öffnungen 110 können sich jedoch in Azimutalrichtung
über einen Winkel erstrecken, der das ungefähr 0,1- bis
ungefähr 8fache des Winkel der Erstreckung der Zwischen
räume 111 entspricht.
Die Öffnungen 110 sind dabei so angeordnet, daß der Teil
strom 106 des Brennluftstroms durch die Zwischenräume 111
zwischen den Öffnungen 110 in Form eines jeweils in Um
fangsrichtung unterbrochenen Ringstroms entsprechenden
Strömungsbildes in die Brennkammer 92 eintritt und damit
jeweils die Ausbildung einer inneren Rezirkulations
strömung 112 und auch einer äußeren Rezirkulationsströmung
119 in der Brennkammer 92 stabilisiert, so daß eine
Flammenwurzel 114 einer sich in der Brennkammer 92 ausbil
denden Flamme 116 im wesentlichen im selben Abstand von
der Blende 90 steht, unabhängig von einer vom Brennstoff
strahl 80 mitgeführten Brennstoffmenge und einer ent
sprechenden durch die Teilströme 102 und 106 in die Brenn
kammer 92 eintretenden entsprechenden Brennluftmenge.
Die erfindungsgemäßen Strömungen in der Brennkammer 92,
dargestellt in Fig. 8, umfassen somit den vollkegelför
migen Brennstoffstrahl 80 zylindrisch umschließende brenn
stoffstrahlnahen Teilstrom 102, welcher mit einer Strö
mungsrichtung 103 in die Brennkammer 92 eintritt, welche
parallel zu einer Strömungsrichtung 79 des Brennstoff
strahls 80 verläuft. Ferner den rezirkulationsstabili
sierenden Teilstrom 106 welcher mit einer zur Strömungs
richtung 79 parallelen Strömungsrichtung 107 in Form von
Einzelströmen 105 in die Brennkammer 92 eintritt, wobei
die Einzelströme 105 auf einem Kreiszylinder liegen, der
im Querschnitt auf der Blende 90 die Form des Kreisring
bereichs 108 aufweist und durch den mantelmittig liegenden
Teilkreis 109 festgelegt ist.
Die Flammenwurzel 114 schließt sich ihrerseits an einen
nichtbrennenden Teil 81 des Brennstoffstrahls 80, welcher
eine Länge von ungefähr 1 bis ungefähr 4 cm, vorzugsweise
ungefähr 1 bis ungefähr 3 cm aufweist, an und von dieser
ausgehend breitet sich die Flamme 116 aus, die sich an
einem Innenwandbereich 15 des Flammrohrs 14 anlegt, bevor
sie dieses verläßt.
Der Bereich der Brennkammer 92 von der Blende 90 bis zum
Innenwandbereich 15 an dem sich die Flamme 116 anlegt,
bildet einen sogenannten Rezirkulationsraum 91. In diesem
strömt einerseits in Form einer inneren Rezirkulation 112
heißes Gas zwischen dem Flammrohr 14 und dem Teilstrom 106
zurück in Richtung zur Blende 90 und vor der Blende 90
nach innen zwischen den Einzelströmen 105 hindurch in
Richtung des nichtbrennenden Teils 81 des Brennstoff
strahls 80 um den nichtbrennenden Brennstoff auf dem Weg
zur Flammwurzel 115 und auch die Brennluft aufzuheizen.
Zusätzlich tritt über nach der Blende 90 im Flammrohr 14
angeordnete äußere Rezirkulationsöffnungen 118 kaltes Ver
brennungsgas aus dem jeweiligen Kessel in Form der äußeren
Rezirkulationsströmung 119 in den Rezirkulationsraum 91
blendennah ein und verhindert im wesentlichen eine Berüh
rung zwischen den heißen Gasen der inneren Rezirkulations
strömung 112 und der kalten Blende 90.
Die äußere Rezirkulationsströmung 118 tritt ferner blen
dennah zwischen den Einzelströmen 105 hindurch und ver
mischt sich dann mit dem Brennluftstrom 102, 106 um den
durch das Flammrohr 14 hindurchtretenden Massenstrom so
weit zu erhöhen, daß die Flammenwurzel 114 in einem kon
stanten Abstand von mindestens 2 cm von der Blende 90 und
somit auch von der Düse 28 stehen bleibt, daß der nicht
brennende Teil 81 des Brennstoffstrahls 90 lang genug ist,
um die Öltröpfchen in demselben annähernd vollständig zu
verdampfen.
Vorzugsweise ist die Fläche der als in Umfangsrichtung
langgezogene Schlitze ausgebildeten äußeren Rezirkula
tionsöffnungen 118 so bemessen, daß sie ungefähr gleich
der Summe der Flächen der Öffnungen 110 und der Einström
öffnung 94 ist.
Das Verhältnis der Fläche der Rezirkulationsöffnungen 118
zur Fläche der zentralen Einströmöffnung 94 liegt zwischen
ungefähr 0,3 bis ungefähr 19,2, bevorzugt zwischen unge
fähr 0,9 und 5,1. An den Rezirkulationsraum 91 schließt
sich dann der Flammraum 117 an.
Vorzugsweise ist bei dem in Fig. 1 bis 9 dargestellten
ersten Ausführungsbeispiel der brennstoffstrahlnahe Teil
strom 102 so ausgebildet, daß dieser bei der kleinsten
Brennerleistung die entsprechende Rezirkulationsströmung
ohne den rezirkulationsstabilisierenden Teilstrom 106
stabilisiert (Fig. 9 untere Hälfte) und bei großen
Brennerleistungen dann der rezirkulationsstabilisierende
Teilstrom 106 die Stabilisierung übernimmt (Fig. 9 obere
Hälfte), die der brennstoffstrahlnahe Teilstrom 102 nicht
mehr leisten kann.
Bei anderer Dimensionierung des Brenners ist es auch mög
lich, bei der kleinsten Leistung sowohl den brennstoff
strahlnahen Teilstrom 102 als auch einen minimalen rezir
kulationsstabilisierenden Teilstrom 106 vorzusehen.
Eine derartige Stabilisierung der Rezirkulationsströmungen
112 und 119 ist insbesondere dann erreichbar, wenn ein
Innendurchmesser des Rezirkulationsraums 91 der Brenn
kammer 92 das ungefähr 1,5- bis ungefähr 3,9fache, noch
besser das ungefähr zwei- bis dreifache des Durchmessers
eines Teilkreises 109 des Kreisringbereichs 108 beträgt,
noch vorteilhafter ist es, wenn der Innendurchmesser des
Rezirkulationsraums 91 der Brennkammer 92 ungefähr das
2,2- bis ungefähr 2,5fache des Durchmessers des Teil
kreises 109 beträgt.
Das Verhältnis des Durchmessers des Teilkreises 109 zum
Durchmesser der zentralen Einströmöffnung 94 liegt
zwischen ungefähr 1,0 und ungefähr 4,2 vorzugsweise
zwischen ungefähr 1,82 und ungefähr 2,0.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die zentrale Ein
strömöffnung 94 so dimensioniert ist, daß ein Außendurch
messer des Rezirkulationsraums 91 der Brennkammer 92 das
ungefähr 3,4- bis ungefähr 8,5fache, noch besser das unge
fähr 4- bis ungefähr 6fache, noch besser das ungefähr
4,4- bis ungefähr 5,9fache des Durchmessers der zentralen
Einströmöffnung 94 beträgt.
Alle bevorzugten Verhältnisse sind gegliedert nach
Brennerleistung in Tabelle 1 zusammengefaßt.
Zur Anpassung der Brennluftmenge des Brennluftstroms an
unterschiedliche Brennerleistungen ist eine als ganzes mit
120 bezeichnete Einstelleinrichtung vorgesehen, welche,
wie in Fig. 5 bis 7 dargestellt, eine kreisringförmig aus
gebildete Einstellscheibe 122 umfaßt, welche mit den Öff
nungen 110 identische Öffnungen 124 aufweist, die eben
falls in den gleichen Winkelabständen wie die Öffnungen
110 und in demselben radialen Abstand von einer Mitte des
Kreisringbereichs 108 angeordnet sind. Die kreisringför
mige Einstellscheibe 122 liegt ihrerseits, wie in Fig. 9
vergrößert dargestellt, in einer in der Blende 90 vorge
sehenen zylinderscheibenförmigen Vertiefung 126, welche
zur Vorkammer 48 hin offen ist. Die drehbare Führung der
Einstellscheibe erfolgt über die Lagerung derselben mit
ihrem Außenrand 128 an einem zylinderförmigen Rand 130 der
Vertiefung 126.
Die Einstellscheibe 122 ist dabei so einstellbar, daß, wie
in Fig. 5 bis 7 dargestellt, entweder die Öffnungen 124
deckungsgleich mit den Öffnungen 110 liegen, so daß der
maximale Querschnitt für den die einzelnen Öffnungen 110
ersetzenden Teilstrom 106 zur Verfügung steht, oder so
verdrehbar, daß die Öffnungen 124 nicht mehr deckungs
gleich zu den Öffnungen 110 liegen und lediglich die ein
ander überlappenden Bereiche der Öffnungen 110 und 124 den
Teilstrom 106 passieren lassen, so daß die Luftmenge des
Teilstroms 106 reduziert ist, wie in Fig. 6 dargestellt.
Der Teilstrom 106 kann, wie in Fig. 7 dargestellt, völlig
unterbrochen werden, nämlich dann, wenn die Öffnungen 124
auf Lücke zwischen den Öffnungen 110 stehen.
Zur Verdrehung der Einstellscheibe 122 ist diese in einem
Teilbereich ihres Außenrandes mit einer Verzahnung 132
versehen, in welche eine Verzahnung 134 eines als ganzes
mit 136 bezeichneten Einstellritzels der Einstelleinrich
tung 120 eingreift. Dieses Einstellritzel ist seinerseits
drehbar an der Blende 90 gelagert, und im einfachsten Fall
in einer weiteren zylinderförmigen Lagervertiefung 138 in
der Blende 90 gelagert, wobei die drehbare Lagerung durch
das Anliegen der Verzahnung 134 an zylindrischen Wand
flächen 140 der Lagervertiefung 138 erfolgt. Dabei öffnet
sich die Lagervertiefung 138 zur Vorkammer 48 hin.
Sowohl die Einstellscheibe 122 als auch das Einstellritzel
136 sind in ihren jeweiligen Vertiefungen 126 bzw. 138
durch in Fig. 9 zeichnerisch nicht dargestellte Fixierele
mente gehalten, so daß sie jeweils bodenseitig an den Ver
tiefungen anliegen.
Im Fall des ersten Ausführungsbeispiels ist das Einstell
ritzel 136 beispielsweise selbsthemmend in der Lagerver
tiefung 138 gelagert und beispielsweise mit einem Schlitz
142 versehen, welcher es ermöglicht, mit einem üblichen
Schraubendreher das Einstellritzel 136 zu verdrehen, so
daß damit auch eine Einstellung der Einstellscheiben 122
möglich ist, wobei die jeweiligen Einstellungen der Ein
stellscheiben 122 durch das selbsthemmende Einstellritzel
136 aufrechterhalten werden.
Das erste Ausführungsbeispiel funktioniert nun so, daß bei
unterbrochenem Teilstrom 106 als Brennluftmenge lediglich
die vom Teilstrom 102 durch den Durchlaß 100 in die Brenn
kammer 92 einströmende Brennluft zur Verfügung steht. Ent
sprechend dieser Luftmenge erfolgt eine Einstellung der
von der Düse 28 in den Brennstoffstrahl 80 abgegebenen
Brennstoffmenge, wobei die Brennstoffmenge so eingestellt
wird, daß die Flamme 116 blau brennt und sich eine
stöchiometrische oder nahstöchiometrische Verbrennung
einstellt. Diese Einstellung der Brennstoffmenge erfolgt
über die Einstellung des Rücklaufventils 34 und somit über
den über die Düsenrücklaufleitung 32 in die Rücklauflei
tung 40 von der Düse 28 zurücklaufenden Brennstoffstrom.
Bei größeren Leistungen kann durch Verstellung der Ein
stellscheibe 122 zusätzlich zum brennstoffstrahlnahen
Teilstrom 102 des Brennluftstroms der Teilstrom 106
beitragen, wobei dieser Teilstrom 106 bei höheren Brenner
leistungen die Rezirkulationsströmung 112 zusätzlich
stabilisiert. Bei maximaler Brennluftmenge im Teilstrom
106 steht für den Eintritt des Brennluftstroms von der
Vorkammer 48 in die Brennkammer 92 die ungefähr 5fache
Querschnittsfläche zur Verfügung als bei vollständig
unterbundenem Teilstrom 106.
Eine Nachstellung der von der Düse 28 in den Brennstoff
strahl 80 abgegebenen Brennstoffmenge erfolgt durch die
bereits erwähnte Einstellung des Rücklaufventils 34 mit
entsprechender Drosselung des von der Düse 28 zurücklau
fenden Brennstoffs.
Bei allen Leistungseinstellungen des erfindungsgemäßen
Brenners ist ein Abstand der Flammenwurzel 114 der Flamme
116 von der Blende 90 im wesentlichen konstant und es ist
bei allen Leistungseinstellungen des Brenners ein Blau
brennen der Flamme 116 mit im wesentlichen stöchiome
trischer oder nahstöchiometrischer Verbrennung einstellbar.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsge
mäßen Brenners, dargestellt in Fig. 10, sind diejenigen
Teile, die mit dem ersten Ausführungsbeispiel identisch
sind, mit denselben Bezugszeichen versehen. Hinsichtlich
der Beschreibung dieser Teile kann somit auf die Ausfüh
rungen zum ersten Ausführungsbeispiel voll inhaltlich
Bezug genommen werden.
Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel, welches
keinerlei zusätzliche Strömungs-Führungselemente in der
Brennkammer 92 aufweist, ist bei dem zweiten Ausführungs
beispiel ein Strömungsführungsring 150 vorgesehen, welcher
im Abstand von der Blende 90 angeordnet ist, und sich mit
seiner Vorderkante 152 bis maximal bis zu einem Viertel
eines Abstandes zwischen der Blende 90 und dem Fußbereich
114 der Flamme 116 erstreckt. Ferner ist der Strömungsfüh
rungsring 150 mit einer der Blende 90 zugewandten Hinter
kante 154 im Abstand von der Blende 90 angeordnet, so daß
die Rezirkulationsströmung 112 zwischen der in der Kante
154 und einer Vorderseite 156 der Blende 90 von seiten der
Blende 90 in den Strömungsführungsring 150 eintreten kann.
Der Strömungsring 150 dient dabei ebenfalls noch zu einer
zusätzlichen Stabilisierung der Rezirkulationsströmung
112, wobei ein signifikanter Abstand zwischen der Vorder
kante 152 und dem Fußbereich 114 der Flamme 116 erforder
lich ist, um bei unterschiedlichen Leistungseinstellungen
des erfindungsgemäßen Brenners die Ausbildung einer
starken Rezirkulationsströmung 112 zu gewährleisten und
die Wirkung des rezirkulationsstabilisierenden Teilstroms
106 zu unterstützen.
Vorzugsweise ist der Strömungsführungsring 150 mit Stegen
158 an der Blende 90 gehalten.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsge
mäßen Brenners, dargestellt in Fig. 11, sind diejenigen
Teile, die mit dem ersten Ausführungsbeispiel identisch
sind, mit demselben Bezugszeichen versehen, so
daß hinsichtlich der Beschreibung dieser Teile ebenfalls
vollinhaltlich auf die Ausführung zum ersten Ausführungs
beispiel Bezug genommen werden kann. Im Gegensatz zum
ersten Ausführungsbeispiel ist hier für die Einstellung
des Rücklaufventils 34 ein Stellantrieb 160 vorgesehen und
für die Einstellung des Einstellritzels 136 ein Stellan
trieb 162, welche beide über eine gemeinsame Steuerung 164
ansteuerbar sind.
Dieser Steuerung 164 sind über einen Eingang 166 Lei
stungseinstellungen des erfindungsgemäßen Brenners vor
gebaut, wobei die Steuerung 164 zu jeder Leistungsein
stellung am Eingang 166 die entsprechende Einstellung des
Rücklaufventils 34 und des Stellantriebs 162 der Einstell
einrichtung 120 vornimmt. Beispielsweise ist dies durch in
einem Speicher der Steuerung 164 festvorgebbare Stellungen
der Stellantriebe 160 und 162 durchführbar.
Um zusätzlich sicherzustellen, daß die Flamme 116 als
blaubrennende Flamme den Brennstoff stöchiometrisch oder
nahstöchiometrisch verbrennt, ist zusätzlich noch eine
Lambdasonde 168 im Abgasstrom der Flamme 116 angeordnet,
welche ebenfalls mit der Steuerung 164 verbunden ist, so
daß die Steuerung 164 nach Grobeinstellungen der Leistung
über die Stellantriebe 160 und 162 noch zusätzlich in der
Lage ist, eine Feineinstellung entweder der Brennluftmenge
oder der Brennstoffmenge vorzunehmen, um stöchiometrische
oder nahstöchiometrische Verbrennungsbedingungen einzu
halten.
Die Steuerung 164 ist im einfachsten Fall so aufgebaut,
daß über einen Einstellgeber, beispielsweise manuell, die
jeweils gewünschten Leistungen des erfindungsgemäßen
Brenners einstellbar sind.
In einer verbesserten Ausführungsform des dritten Ausfüh
rungsbeispiels ist die Steuerung 164 so ausgebildet, daß
über eine Gesamtsteuerung einer Anlage, beispielsweise
einer Heizanlage, in welche der erfindungsgemäße Brenner
integriert ist, eine Vorgabe für die jeweils erforderliche
Leistung des erfindungsgemäßen Brenners erfolgt, so daß
die Steuerung 164 dann je nach angeforderter Leistung des
erfindungsgemäßen Brenners die Stellantriebe 160 und 162
entsprechend einstellt und eine Feineinstellung aufgrund
der Meßwerte der Lambdasonde 168 vornimmt.
Bei einem vierten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 12,
sind diejenigen Teile, die mit den vorstehenden Aus
führungsbeispielen identisch sind, mit denselben Bezugs
zeichen versehen, so daß bezüglich deren Beschreibung auf
die Ausführungen zu diesen Ausführungsbeispielen vollin
haltlich Bezug genommen wird.
Im Gegensatz zu den bisherigen Ausführungsbeispielen ist
das Flammrohr 14 im Bereich des auf den Rezirkulationsraum
91 folgenden Flammraums 117 radial über seine Länge bis
zum vorderen Ende 170 verengt, so daß der Innenwandbereich
15 an dem die Flamme 116 anliegt bereits radial nach innen
versetzt ist.
Dieses Flammrohr erlaubt es insbesondere bei kleinen
Brennerleistungen, vorzugsweise kleiner 20 kW, eine stabil
im Flammrohr 14 stehende Flamme 116 zu erhalten. Ferner
verhindert diese Geometrie ein unerwünschtes Einziehen von
Rauchgasen vom vorderen Ende des Flammrohres 14.
Bei einem fünften Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 13,
wird, in gleicher Weise wie beim vierten Ausführungs
beispiel, bezüglich der mit denselben Bezugszeichen ver
sehenen Teile auf die voranstehenden Ausführungen Bezug
genommen.
Im Gegensatz zu den bisherigen Ausführungsbeispielen er
folgt ein Verschließen der Öffnungen 110 mittels konischer
Stopfen 172 welche an Stäben 174 gehalten und in axialer
Richtung des Stützrohrs 12 beweglich über eine Führung 176
am Düsenstock 24 im Stützrohr 12 geführt sind. Je nach
dem, wie weit die konischen Stopfen 172 in die Öffnungen
110 hineinragen, ist eine Reduzierung der Querschnitts
fläche jeder Öffnung 110 möglich.
Bei einem sechsten Ausführungsbeispiel eines erfindungs
gemäßen Brenners, dargestellt in Fig. 14, sind diejenigen
Teile, die mit denjenigen des ersten Ausführungsbeispiels
identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so
daß bezüglich dieser Teile ebenfalls auf die Ausführungen
zum ersten Ausführungsbeispiel vollinhaltlich Bezug ge
nommen werden kann.
Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist bei dem
sechsten Ausführungsbeispiel, dargestellt in den Fig. 14
bis 17, ebenfalls eine Leistungseinstellung möglich,
jedoch ist bei diesem Ausführungsbeispiel der erfindungs
gemäße Brenner in Form eines Bausatzes aufgebaut. Anstelle
einer als Rücklaufdüse ausgebildeten Düse 28 mit einer
Düsenrücklaufleitung 32 und einem in dieser vorgesehenen
Rücklaufventil 34 zur Einstellung des Brennstoffstroms
sind ein Satz von mehreren Düsen 228 vorgesehen, welche
jeweils das gleiche Sprühbild und dieselbe luftströmungs
seitige Außenkontur und somit die gleiche Form des Brenn
stoffstrahls 80, jedoch bei unterschiedlichen Brennstoff
mengen liefern. Bei diesen Düsen 228 erfolgt die Brenn
stoffzufuhr über die Brennstofförderpumpe 36 und die
Düsenzuleitung 30, eine Düsenrücklaufleitung 32 erübrigt
sich jedoch.
Die jeweils unterschiedlichen Düsen 228 entsprechen dabei
unterschiedlichen Leistungen des erfindungsgemäßen
Brenners.
Zur Anpassung des Brennluftstroms an die unterschiedlichen
Brennstoffmengen der unterschiedlichen Düsen 228 sind
mehrere Blenden 290a bis 290c vorgesehen, wobei die Blende
290a der die größte Brennstoffmenge abgebenden Düse 228,
die Blende 290c der die kleinste Brennstoffmenge abgeben
den Düse zugeordnet ist und die Blende 290b einer Düse
228 zugeordnet ist, deren Brennstoffmenge zwischen der
maximalen und der minimalen Brennstoffmenge liegt.
Die Blenden 290a bis c unterscheiden sich in dem Quer
schnitt der für den Teilstrom 106 vorgesehenen Öffnungen
210, nicht jedoch hinsichtlich deren Lage, wobei die
Öffnungen 210a mit den Öffnungen 110 hinsichtlich des
Gesamtquerschnitts der Öffnungen identisch sind, während
die Öffnungen 210b einen Gesamtquerschnitt zeigen, welcher
einer Zwischeneinstellung, beispielsweise dargestellt in
Fig. 6, entspricht und somit auch einer Zwischenleistung
der entsprechenden Düse 228. Bei der Blende 290c fehlen
die Öffnungen 210 gänzlich, so daß dieser der in Fig. 7
dargestellten Stellung der Einstelleinrichtung 120 ent
spricht, in welcher der Teilstrom 106 völlig unterbunden
ist und der Brennluftstrom lediglich durch den Teilstrom
102 gebildet wird.
Je nach in dem Düsenstock 24 montierter Düse 228 ist eine
der Blenden 290a bis 290c in das Stützrohr 12 einzubauen,
wobei bei dem vierten Ausführungsbeispiel die Blenden 190
herausnehmbar im Stützrohr gehalten sind. Hierzu ist bei
spielsweise an dem Düsenstock 24 mittels eines Halterings
292 ein Dreibein 294 gehalten, welches die jeweilige
Blende 290 auf ihrer der Vorkammer 48 zugewandten Seite
296 beaufschlagt und diese gegen einen Dichtungsring 298
in Richtung des Flammrohrs 14 drückt. Dabei ist der Düsen
stock 26 als Ganzes in Richtung einer Längsachse 300 des
Stützrohrs 12 verschieblich und mit einer in Fig. 14 nicht
dargestellten Feder in Richtung des Flammrohrs 12 beauf
schlagt. Somit ist ein Herausnehmen der Blende 290 in
Richtung der Vorkammer 48 möglich, während die Blende 290
in Richtung des Flammrohrs 14 durch das beispielsweise als
Dichtungsring 298 ausgebildete Widerlager fixiert ist.
Ferner ist die Brennkammer 92 in gleicher Weise wie vor
zugsweise im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbei
spiel dargestellt, frei von mechanischen Strömungsfüh
rungselementen ausgebildet, so daß bei Einbau der der je
weiligen Leistung entsprechenden Düse 228 und der jeweils
entsprechenden Blende 290 ebenfalls eine stabile Ausbil
dung der jeweils geeigneten Rezirkulationsströmung 112
gewährleistet ist und ebenfalls gewährleistet ist, daß die
Flamme 116 als blaubrennende Flamme eine stöchiometrische
oder nahstöchiometrische Verbrennung liefert. Ferner ist
durch die entsprechend für den Teilstrom 106 zur Verfügung
gestellten Querschnitte der Öffnungen 210 eine dem ersten
Ausführungsbeispiel entsprechende Funktion sichergestellt.
Claims (52)
1. Brenner für flüssige Medien umfassend
ein Brennergehäuse (10), welches ein Stützrohr (12) und ein sich daran anschließendes Flammrohr (14) aufweist,
einen in dem Stützrohr (12) in einer Vorkammer (48) angeordneten Düsenstock (24) mit einer einen Brenn stoffstrahl (80) erzeugenden Düse (28),
eine in dem Flammrohr (14) angeordnete, im wesent lichen mischrohrfreie Brennkammer (92), in welcher sich der Brennstoffstrahl (80) ausbreitet,
ein Trennelement (90) zwischen der Vorkammer (48) und der Brennkammer (92) mit einer zentralen Öffnung (94) durch welche der Brennstoffstrahl (80) hin durchtritt,
ein Gebläse (16) zur Erzeugung eines in die Brenn kammer (92) eintretenden Brennluftstroms, welcher einen brennstoffstrahlnahen Teilstrom (102) umfaßt,
wobei in der Brennkammer (92) der Brennstoff mit einer blaubrennenden Flamme (116) im wesentlichen stöchiometrisch oder nahstöchiometrisch verbrennt, dadurch gekennzeichnet, daß in die Brennkammer (92) zusätzlich zum brennstoffstrahlnahen Teilstrom (102) ein gegenüber diesem in definiertem Abstand radial außenliegender rezirkulationsstabilisierender Teilstrom (106) von Brennluft eintritt, daß sich in der Brennkammer (92) eine von der blaubrennenden Flamme (116) zum nicht brennenden Teil (81) des Brennstoffstrahls (80) zurückverlaufende innere Rezirkulationsströmung (112) ausbildet und daß der rezirkulationsstabi lisierende Teilstrom (106) der Brennluft die innere Rezirkulationsströmung (112) stabilisiert.
ein Brennergehäuse (10), welches ein Stützrohr (12) und ein sich daran anschließendes Flammrohr (14) aufweist,
einen in dem Stützrohr (12) in einer Vorkammer (48) angeordneten Düsenstock (24) mit einer einen Brenn stoffstrahl (80) erzeugenden Düse (28),
eine in dem Flammrohr (14) angeordnete, im wesent lichen mischrohrfreie Brennkammer (92), in welcher sich der Brennstoffstrahl (80) ausbreitet,
ein Trennelement (90) zwischen der Vorkammer (48) und der Brennkammer (92) mit einer zentralen Öffnung (94) durch welche der Brennstoffstrahl (80) hin durchtritt,
ein Gebläse (16) zur Erzeugung eines in die Brenn kammer (92) eintretenden Brennluftstroms, welcher einen brennstoffstrahlnahen Teilstrom (102) umfaßt,
wobei in der Brennkammer (92) der Brennstoff mit einer blaubrennenden Flamme (116) im wesentlichen stöchiometrisch oder nahstöchiometrisch verbrennt, dadurch gekennzeichnet, daß in die Brennkammer (92) zusätzlich zum brennstoffstrahlnahen Teilstrom (102) ein gegenüber diesem in definiertem Abstand radial außenliegender rezirkulationsstabilisierender Teilstrom (106) von Brennluft eintritt, daß sich in der Brennkammer (92) eine von der blaubrennenden Flamme (116) zum nicht brennenden Teil (81) des Brennstoffstrahls (80) zurückverlaufende innere Rezirkulationsströmung (112) ausbildet und daß der rezirkulationsstabi lisierende Teilstrom (106) der Brennluft die innere Rezirkulationsströmung (112) stabilisiert.
2. Brenner nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 oder
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im
Brennergehäuse Öffnungen (118) vorgesehen sind,
durch welche eine kalte Verbrennungsgase führende
äußere Rezirkulationsströmung (119) in die Brenn
kammer (92) eintritt, daß die äußere Rezirkulations
strömung (119) nahe des Trennelements (90) in die
Brennkammer (92) eintritt und so groß ist, daß eine
Flammenwurzel (114) der blaubrennenden Flamme (116)
einen Abstand von mindestens 1 cm von der Düse (28)
aufweist, und daß sich zwischen der Düse (28) und
der Flammenwurzel (114) ein nichtbrennender Teil
(81) des Brennstoffstrahl (80) unter Zumischung von
Brennluft (102, 106) kegelförmig ausbreitet.
3. Brenner nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 oder
nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß im Brennergehäuse (10) Öffnungen (118)
vorgesehen sind, durch welche eine äußere kalte
Verbrennungsgase führende
Rezirkulationsströmung (119) in die Brennkammer (92)
eintritt, daß die äußere Rezirkulationsströmung
(119) nahe des Trennelements (90) in die Brennkammer
(92) eintritt und daß diese eine innere Rezirkula
tionsströmung (112) gegenüber dem Trennelement (90)
abschirmt, welche sich als in der Brennkammer (92)
von der blaubrennenden Flamme (116) zum nicht
brennenden Teil (81) des Brennstoffstrahls (80)
zurück verlaufende Strömung ausbildet.
4. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die innere Rezirkula
tionsströmung (112) von der Flamme (116) ausgehend
auf einer Innenseite des Flammrohrs (14) in Richtung
des Trennelements (90) strömt.
5. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die innere Rezirkula
tionsströmung (112) gelbbrennend ist.
6. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die innere Rezirkula
tionsströmung (112) durch den rezirkulations
stabilisierenden Teilstrom (106) hindurchtritt.
7. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der rezirkulationsstabi
lisierende Teilstrom (106) im wesentlichen parallel
zur Strömungsrichtung (79) des Brennstoffstrahls
(80) in die Brennkammer (92) eintritt.
8. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die Teilströme (102, 106)
unabhängig von der eingestellten Luftmenge an je
weils demselben Ort in die Brennkammer (92) ein
treten.
9. Brenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Einstellung der Luftmenge mindestens einer der
Teilströme (102, 106) zur Anpassung an die Brenn
stoffmenge einstellbar ist.
10. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
der rezirkulationsstabilisierende Teilstrom (106)
hinsichtlich der Luftmenge einstellbar ist.
11. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Luftmenge im rezirkulationsstabilisierenden
Teilstrom (106) bei maximaler Brennstoffmenge maxi
mal und bei minimaler Brennstoffmenge minimal ist.
12. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die Luftmenge im brenn
stoffstrahlnahen Teilstrom (102) bei allen Ein
stellungen der Brennstoffmenge konstant ist.
13. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß der Brennstoffstrahl (80)
einen zusammenhängenden Düsenöffnung ausgehenden
Spitzkegel bildet.
14. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß der brennstoffstrahlnahe
Teilstrom (102) im wesentlichen parallel zur Strö
mungsrichtung (79) des Brennstoffstrahls (80) in die
Brennkammer (92) eintritt.
15. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß der brennstoffstrahlnahe
Teilstrom (102) den Brennstoffstrahl (80) umströmend
in die Brennkammer (92) eintritt.
16. Brenner nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß der brennstoffstrahlnahe Teilstrom (102) im
Bereich eines Umfangs eines Düsenkopfs (50) der Düse
(28, 228) in die Brennkammer (92) einströmt.
17. Brenner nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß der brennstoffstrahlnahe Teilstrom (102) entlang
einer definierten Außenkontur (98) des Düsenkopfs
(50) strömt.
18. Brenner nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
der brennstoffstrahlnahe Teilstrom (102) und der
Brennstoffstrahl (80) durch dieselbe zentrale Ein
strömöffnung (94) in die Brennkammer (92) eintreten.
19. Brenner nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
daß der brennstoffstrahlnahe Teilstrom (102) durch
einen Durchlaß (100) zwischen dem Düsenkopf (28,
228) und einem Rand einer für den brennstoffstrahl
nahen Teilstrom (102) vorgesehenen Einströmöffnung
(94) in die Brennkammer (92) strömt.
20. Brenner nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Einströmöffnung (94) für den
brennstoffstrahlnahen Teilstrom (102) turbulenzer
zeugend ausgebildet ist.
21. Brenner nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einströmöffnung (94) mit einer Wirbelkante
(104) versehen ist.
22. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Brennluft
strom (102, 106) durch eine Vorkammer (48) hindurch
geführt ist.
23. Brenner nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,
daß der Brennluftstrom (102, 106) durch ein Trenn
element (90) hindurch in die Brennkammer (92) ein
tritt.
24. Brenner nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet,
daß das Trennelement (90, 290) eine der Düse (28,
228) zugewandte Einströmöffnung (94) für den brenn
stoffstrahlnahen Teilstrom (102) aufweist.
25. Brenner nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch
gekennzeichnet, daß das Trennelement (90, 290)
relativ zu der Einströmöffnung (94) für den brenn
stoffstrahlnahen Teilstrom (102) mindestens eine
radial außenliegende Öffnung (110, 210) für den
rezirkulationsstabilisierenden Teilstrom (106) auf
weist.
26. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (92) sich
ausgehend von einer Ebene (89) erstreckt, welche
nahe der Ebene der Düsenöffnung liegt.
27. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (92)
zwischen dem Trennelement (90) und dem Bereich der
Flammenwurzel (114) einen im wesentlichen konstanten
Querschnitt aufweist.
28. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Trennelement (90)
eine Blende ist.
29. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (90) sich in
einer Ebene (89) erstreckt.
30. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (92)
einen vom nichtbrennenden Teil (81) des Brennstoff
strahls (80) durchsetzten und sich um diesen herum
erstreckenden Rezirkulationsraum (91) aufweist.
31. Brenner nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rezirkulationsraum (91) sich mindestens bis
zur Flammenwurzel (114) erstreckt.
32. Brenner nach einem der Ansprüche 30 oder 31, dadurch
gekennzeichnet, daß der rezirkulationsstabili
sierende Teilstrom (106) in den Rezirkulationsraum
(91) eintritt.
33. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß der rezirkulationsstabili
sierende Teilstrom (106) symmetrisch zu einer
Symmetrieachse der Brennkammer (92) ausgebildet ist.
34. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der rezirkulations
stabilisierende Teilstrom (106) in Form eines auf
einem Zylinder liegenden Strombildes (105) in die
Brennkammer (92) eintritt.
35. Brenner nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet,
daß das Strombild aus parallelen Einzelteilströmen
(105) zusammengesetzt ist.
36. Brenner nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einzelströme (105) im konstanten Winkelab
stand (111) zueinander angeordnet sind.
37. Brenner nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis des Winkelabstandes (111)
zwischen zwei Einzelteilströmen (105) zur Winkel
breite des Eintrittsquerschnitts (110) jedes Einzel
teilstroms (105) zwischen ungefähr 10 und ungefähr
0,1 liegt.
38. Brenner nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis des Winkelabstandes (111)
zwischen zwei Einzelteilströmen (105) zur Winkel
breite des Eintrittsquerschnitts (110) jedes Einzel
teilstroms (105) zwischen ungefähr 1 und 0,1 liegt.
39. Brenner nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis des Winkelabstandes (111)
zwischen zwei Einzelteilströmen (105) zur Winkel
breite des Eintrittsquerschnitts (110) jedes Einzel
teilstroms (105) im Bereich von ungefähr 0,7 und
0,25 liegt.
40. Brenner nach einem der Ansprüche 33 bis 39, dadurch
gekennzeichnet, daß der Zylinder ein Kreiszylinder
ist, welcher durch einen mittig desselben liegenden
Teilkreis (109) festgelegt ist.
41. Brenner nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rezirkulationsraum (91) einen Innendurch
messer aufweist, welcher ungefähr 1,5- bis ungefähr 3mal
größer ist als der Durchmesser des Teilkreises
(109) des Kreiszylinders ist.
42. Brenner nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rezirkulationsraum (91) einen Innendurch
messer aufweist, welcher ungefähr 2- bis ungefähr 2,5mal
größer ist als der Durchmesser des Teilkreises
(109) des Kreiszylinders ist.
43. Brenner nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rezirkulationsraum (91) einen Innendurch
messer aufweist, welcher ungefähr 2,2mal so groß
ist wie der Durchmesser des Teilkreises (109) des
Kreiszylinders.
44. Brenner nach einem der Ansprüche 30 bis 43, dadurch
gekennzeichnet, daß sich an den Rezirkulationsraum
(91) der Flammraum (117) anschließt.
45. Brenner nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet,
daß der Flammraum (117) einen Innendurchmesser auf
weist, welcher kleiner als der des Rezirkulations
raums (91) ist.
46. Brenner nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet,
daß der Innendurchmesser des Flammraums (117) im
Bereich des ungefähr 0,6- bis ungefähr 0,9fachen des
Innendurchmessers des Rezirkulationsraums (91)
liegt.
47. Brenner nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet,
daß der Innendurchmesser des Flammraums (117) im
Bereich des ungefähr 0,8fachen des Innendurch
messers des Rezirkulationsraums (91) beträgt.
48. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Flamme (116) eine in
der Brennkammer (92) liegende Flammenwurzel (114)
aufweist.
49. Brenner nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet,
daß sich die Brennkammer (92) über die Flammenwurzel
(114) hinaus erstreckt.
50. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die äußere Rezirkulations
strömung (119) getrennt von dem Brennluftstrom (102,
106) in die Brennkammer (92) eintritt.
51. Brenner nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet,
daß die äußere Rezirkulationsströmung (119) durch
Rezirkulationsöffnungen (118) im Flammrohr (14)
direkt in die Brennkammer (92) eintritt.
52. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß eine Fläche der für den
Eintritt des Brennluftstroms (102, 106) in die
Brennkammer (92) vorgesehenen Öffnungen (94, 110)
maximal ungefähr der Fläche der im Flammrohr (14)
vorgesehenen Rezirkulationsöffnungen (118) für die
äußere Rezirkulationsströmung (119) entspricht.
Priority Applications (12)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4430889A DE4430889A1 (de) | 1993-12-18 | 1994-08-31 | Verbrennungsoptimierter Blaubrenner |
PT95905077T PT683883E (pt) | 1993-12-18 | 1994-12-17 | Queimador com chama azul de combustao optimizada |
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