DE69306502T2 - Mit Brennstoff betriebener Brenner - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen mit Brennstoff betriebenen Brenner und insbesondere auf einen mit Gas befeuerten Brenner, der vom Typ mit völliger Vormischung ist, d.h. einem solchen, bei dem das Gas mit der gesamten Verbrennungsluft in einer Mischkammer gemischt wird, bevor das Gas verbrannt wird.
• GB-A-1 290 536 beschreibt einen Infrarot-Gasbrenner mit Öffnungen, durch welche ein Luft-Gas-Gemisch strömt, bevor es gezündet wird. Im Brenner ist jede der Öffnungen mit einem Einlaß ausgebildet, der sich nach innen zu einem langgestreckten Halsteilstück krümmt, das den Mindestdurchmesser der Öffnung vorsieht und über ein leicht konvexes Teilstück in einen allgemein divergierenden Auslaßabschnitt übergeht.
• Ein Typ von Brenner mit völliger Vormischung weist eine Sammelkammer auf, in die ein extern vorbereitetes Gemisch aus Luft und Brenngas wie beispielsweise Erdgas eingeführt wird, bevor es mehr oder weniger gleichmäßig über Öffnungen in einem Block, einer Platte oder einem Streifen, der bzw. die einen Teil oder eine Wand der Kammer bilden kann oder auch nicht bilden kann. Das Gemisch wird innerhalb oder stromabwärts von Block, Platte oder Streifen verbrannt, um Verbrennungsprodukte zu erzeugen, die dann in ein erstes Gehäuse gelangen, das zu einem zweiten Gehäuse wie beispielsweise einen Wärmetauscher führt, wenn der Brenner als Wärmequelle in einer Heizeinrichtung wie einem Boiler verwendet wird. Ein typischer Brenner mit völliger Vormischung ist in der veröffentlichten GB-A-2 176 588 beschrieben.
• Ein Problem bei Brennern dieser Bauart besteht darin, daß unter gewissen Umständen für sie die Tendenz besteht, unannehmbare Intensitäten von sogenannten resonanten Verbrennungsgeräuschen zu erzeugen, insbesondere bei Einschluß in einer Heizeinrichtung und dann, wenn der Brenner mit einem relativ hohen Wärmeausgang pro Einheit der Brenneroberfläche betrieben wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wahrscheinlichkeit eines resonanten Verbrennungsgeräusches zu beseitigen oder zu reduzieren, das in Brennern mit völliger Vormischung erzeugt wird, wenn diese, wie oben erwähnt, eingeschlossen sind.
• Zu diesem Zweck sieht die Erfindung einen mit Brennstoff betriebenen Brenner vor mit einer Kammer zur Aufnahme eines Vorgemisches aus Brennstoff und Luft, wobei eine Wand der Kammer mit einer Vielzahl von länglichen Schlitzen versehen ist, die sich durch die Wand hindurch erstrecken, wobei jeder Schlitz ein konvergierendes Einlaßteilstück und ein divergierendes Auslaßteilstück aufweist; dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner ein solcher mit voller Vormischung ist, daß das Einlaßteilstück bis zu einem Ende konvergiert, das zu einem im Wesentlichen eine konstante Dimension aufweisenden Teilstück führt, daß das Auslaßteilstück von dem dem Einlaßteilstück abgelegenen Ende des Teilstücks mit konstanter Dimension aus divergiert und daß die Teilung der Schlitze entlang der Kammerwand P ist, die Breite jedes Schlitzes w ist und die Länge des Teilstücks mit konstanter Dimension L ist, wobei L / ω ≥ 10 und P / ω ≥ 2 ist.
• Die Bedeutung, daß L / ω gleich oder größer als 10 ist, besteht darin, daß dies ermöglicht, daß die Strömung durch den Schlitz hindurch sich im aerodynamischen Sinn im Wesentlichen voll entwickelt. Als Folge davon besteht dicht an der Wand des Schlitzes eine Grenzschicht, in der die Strömungsgeschwindigkeit sehr gering ist, und dies trägt zur Beibehaltung einer stabilen Flamme am Auslaß des Schlitzes bei.
• Die Bedeutung, daß - gleich oder größer als 2 ist, besteht darin, daß dies eine gute Flammenstabilität ermöglicht, und zwar ohne die Begleiterscheinung der Gefahr eines Flammen-Rückschlags durch den Schlitz hindurch. Aus dem gleichen Grund und auch durch Reduzierung der prozentualen offenen Querschnittsfläche in der geschlitzten Wand wird zudem die Widerstandsfähigkeit des Brenners gegen Erzeugung eines resonanten Verbrennungsgeräusches verbessert.
• Die Länge des Einlaßteilstücks wird mit 1 bezeichnet, und es wird vorgezogen, daß L ≥ 1 ist, weil dies L für eine gegebene Dicke (L + 1) der geschlitzten Wand maximiert. Außerdem minimiert dies das Volumen der konvergenten Zone des Schlitzes, wodurch die Anfälligkeit des Brenners für eine Verbrennungsresonanz vermindert wird.
• Der Konvergenzwinkel des konvergierenden Einlaßteilstücks kann im Wesentlichen konstant sein, d.h. jede Seitenwand kann im Wesentlichen gerade oder flach sein.
• Alternativ kann jeder konvergierende Einlaß auch einen variierenden Konvergenzwinkel haben. Vorzugsweise hat in diesem Falle jede Seitenwand des konvergierenden Einlaßteilstücks eine konvexe elliptische Krümmung, da diese Form eine Trennung der Strömung an oder nahe dem Eintritt des Teilstücks des Schlitzes mit konstanter Dimension vermeidet und außerdem das Volumen der konvergenten Zone minimiert. Diese Merkmale verbessern weitgehend den Widerstand gegen resonante Verbrennung.
• Nachforschungen haben ergeben, daß das divergierende Auslaßteilstück mithilft, die Flamme zu stabilisieren und dadurch die Tendenz zu resonieren vermindert.
• Im typischen Fall kann die Breite (w) des Teilstücks mit konstanter Dimension im Bereich von 0,4 bis 1,0 mm liegen, und die Teilung bzw. das Raster (P) der Schlitze kann im Bereich von 2,5 bis 6,0 mm liegen.
• Bei Einsatz eines Brenners mit der oben beschriebenen Geometrie ist es vorteilhaft, das Luft/Gas-Gemisch in gleichmäßig verteilter Weise und mit einer geringen Intensität von Strömungsturbulenz zuzuführen.
• Das erste dieser angestrebten Ziele kann dadurch sichergestellt werden, daß die Strömung des Luft/Gas-Gemisches durch eine geeignete Verteilungseinrichtung von wesentlichem Strömungswiderstand geleitet wird, die stromaufwärts der Einlaßteilstücke der Schlitze gelegen ist. Die Verteilungseinrichtung kann eine perforierte Platte oder alternativ eine poröse Platte sein.
• Es ist ferner vorteilhaft, Prall- oder Ablenkeinrichtungen mit hoher akustischer Impedanz stromaufwärts der Einlaßteilstücke der Schlitze und vorzugsweise dicht an den Einlaßteilstücken vorzusehen, um das Volumen des Raumes zwischen der Stromabwärtsseite der Pralleinrichtungen und solchen Einlaßteilstücken möglichst klein zu halten. Dies erhöht oder maximiert den Widerstand des Brenners gegen Erzeugung von resonanten Verbrennungsgeräuschen für einen gegebenen Strömungswiderstand an der Verteilungseinrichtung.
• Die Prall- oder Ablenkeinrichtung kann beispielsweise eine Fasermatte sein, die zwischen einer perforierten Verteilerplatte, wie vorher erwähnt, und den Einlaßteilstücken der Schlitze angeordnet werden kann. Alternativ und vorzugsweise dient die poröse Platte, wie vorher erwähnt, nicht nur als geeignete Verteilungseinrichtung, sondern auch als Pralleinrichtung zur weiteren Verbesserung der Widerstandsfähigkeit des Brenners gegen Verbrennungsresonanz.
• Die Erfindung wird nunmehr beispielsweise anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Dabei zeigt
• Fig. 1 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Brenners,
• Fig. 2 einen Querschnitt durch den Brenner nach der Linie II-II in Fig. 1,
• Fig. 3 eine Teilansicht des Brenners in Richtung des Pfeiles A in Fig. 2,
• Fig. 4 eine vergrößerte Schnittansicht der geschlitzten Wand nach Fig. 2 und
• Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Teils von zwei Kammer-Wandteilstücken, die einen der länglichen Schlitze dazwischen begrenzen.
• Wie aus der Zeichnung und insbesondere aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht, ist ein mit Gas betriebener Brenner 1 von völlig vorgemischter Bauart in einer nach unten feuernden Betriebsart dargestellt. Der Brenner 1 weist eine langgestreckte obere Kammer auf, die als eine Sammelkammer 2 dient, die teilweise durch eine obere horizontale Wand 4, zwei vertikale Seitenwände 6 und 8 und zwei vertikale Endwände 10 und 12 begrenzt wird. Eine Umf angswand 14 erstreckt sich horizontal auswärts von den unteren Enden der Wände 6, 8, 10 und 12. Von der Außenkante der Umf angswand 14 erstrecken sich nach unten zwei vertikale Seitenwände 16 und 18 und zwei Endwände 20 und 22, um eine untere Kammer oder ein Gehäuse zu bilden, welche bzw. welches einen allgemein rechteckigen Querschnitt sowohl in der horizontalen als auch vertikalen Ebene hat und eine Öffnung 24 am Boden aufweist.
• Ein hohles, allgemein rechteckiges Haltebauteil 26 mit vertikalen Seitenwänden 28 und 30 und Endwänden 32 und 34 ist innerhalb der unteren Kammer mittels Befestigungsstiften 36 angebracht, die sich durch die Seitenwände 16 und 18 des Gehäuses hindurch in die Seitenwände 28 und 30 des Haltebauteils 26 erstrecken.
• Die Öffnung 38 am oberen Ende des Haltebauteus 26 ist durch eine rechteckige poröse Brenngas/Luft-Verteilerplatte 40 geschlossen, die auf einem horizontalen Schulterteilstück 42a einer Ausnehmung 42 abgestützt ist, die sich um die Innenseite des Haltebauteils herum erstreckt. Am unteren Ende des Haltebauteils 26 befindet sich eine Öffnung 43.
• Eine Dichtung 44 ist einerseits zwischen den Seiten- und Endwänden 28, 30, 32, 34 des Haltebauteils 26 und den Seitenund Endwänden 16, 18, 20, 22 des Gehäuses und andererseits zwischen den oberen Enden der Seiten- und Endwände 16, 18, 20, 22 des Gehäuses und der Unterseite der Umfangswand 14 eingelegt. Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich, ist die Dichtung 44 außerdem zwischen den oberen Randteilstücken der Verteilerplatte 40 und der Unterseite der Umf angswand 14 eingelegt.
• Die poröse Verteilerplatte 40 bildet eine untere Wand für die Sammelkammer.
• Der Eintritt des Luft/Brenngas-Vorgemisches in die Sammelkammer 2 erfolgt über einen Einlaß 46 in der Seitenwand 8 der Kammer 2.
• Ein keramischer Flammenstreifen so ist ebenfalls innerhalb der unteren Kammer angebracht, um praktisch eine Wand darin vorzusehen. Der Flammenstreifen so ist allgemein von rechteckiger Form und weist Seitenwände 52, 54 und Endwände 56, 58 auf, die alle in einer Ausnehmung 60, die sich um die Innenperipherie des Haltebauteils 26 herum erstreckt, sitzen und zwischen der Schulter 60a der Ausnehmung 60 und der Unterseite der Verteilerplatte 40 gehalten werden.
• Eine Vielzahl von gleichmäßig beabstandeten, allgemein vertikalen Trennwänden oder Wänden 64 ist in einer Reihe über den Flammenstreifen 50 hinweg zwischen den Seitenwänden 52 und 54 parallel zu den Endwänden 56 und 58 angeordnet. Benachbarte der Wände 64 begrenzen zwischen sich eine Vielzahl von Brenneröffnungen in Form von parallelen Längsschlitzen 66, die sich allgemein vertikal durch den Flammenstreifen hindurch erstrecken. Die Enden der Wände 64 sind in Ausnehmungen 68 in den Seitenwänden 52, 54 befestigt, wie für eines der Enden in Fig. 5 dargestellt.
• Jede Wand 64 weist ein oberes, schräg zulaufendes Teilstück 70 mit flachen oder geraden Seitenflächen 71 auf und verjüngt sich in Aufwärtsrichtung, während ein unteres Teilstück 72 mit flachen oder geraden Seitenflächen 73 sich nach unten verjüngt, und hat ein Zwischenteilstück 74 mit parallelen Seiten 76 und 78. Ein Hohlraum 80 erstreckt sich horizontal durch die Wand 64 hindurch, und zwar hauptsächlich im Bereich des Zwischenteilstück 74 in der Breite der Wand 64, d.h. im Wesentlichen von Seitenwand 52 zu Seitenwand 54.
• Aus Fig. 1 und 2 ist ersichtlich, daß jedes Ende der Reihe von Wänden 64 nur in einer Teilwand 82 endet. Die Vielzahl von gleichen, gleichbeabstandeten Längsschlitzen 66 wird begrenzt zwischen benachbarten Wänden 64 oder zwischen einer Wand 64 und der benachbarten Teilwand 82. Die Schlitze 66 dienen als Öffnungen oder Auslässe für Brenngas/Luft-Vorgemisch zur nachfolgenden Zündung, wie weiter unten beschrieben wird. Jeder Schlitz 66 hat ein Einlaßteilstück 84, das zwischen benachbarten, schräg zulaufenden oberen Wandteilstücken 70 festgelegt ist und zu einem Ende 84a hin konvergiert, welches zu einem geraden Teilstück 86 von im Wesentlichen konstanter Dimension zwischen benachbarten, parallelen Wänden 76, 78 führt. Ein Auslaßteilstück 88 divergiert vom Ende 86a des Teilstücks 86 mit im Wesentlichen konstanter Dimension, entfernt vom Einlaßteilstück 84.
• Jedes untere Wandteilstück 72 der Wände 64 hat am freien unteren Ende eine zentrale Aussparung 87, die sich vollständig durch die Dicke des Teilstücks über einen Teil seiner Länge erstreckt und mit den äquivalenten Aussparungen 87 in den anderen Wandteilstücken 72 fluchtet, um einen Querzündweg 90 über den Brenner-Flammenstreifen 50 hinweg vorzusehen.
• In betriebsbereitem Zustand sind die zusammengebauten, oben beschriebenen Komponenten auf einer Brennkammer 92 montiert, wie in Fig. 1 strichpunktiert dargestellt, und zwar mittels eines gelochten Flansches 94, der sich von den das Gehäuse bildenden Wänden 16, 18, 20, 22 aus und um diese herum nach außen erstreckt.
• Bei Gebrauch wird ein Vorgemisch aus Brenngas (Erdgas) und Luft über den Einlaß 46 der Sammelkammer 2 zugeführt. Das Gemisch passiert dann die poröse Platte 40, die das Gemisch gleichmäßig und mit geringer Turbulenz an den geschlitzten Brenner-Flammenstreifen 50 verteilt. Die Platte 40 verbessert auch die Widerstandsfähigkeit des Brenners gegen Verbrennungsresonanz. Um diese letztere Eigenschaft zu maximieren, wie vorher erwähnt, ist es vorteilhaft, wenn die poröse Platte so dicht wie möglich an den Einlaßteilstücken 84 der Schlitze 66 angeordnet ist.
• Nach komplettem Durchgang durch zumindest das Einlaßteilstück 84 und das gerade Teilstück 86 des Schlitzes 66 wird das Luft/Gas-Gemisch durch eine Zündeinrichtung (nicht dargestellt) gezündet, z.B. durch Funkenelektroden, um danach ohne weitere Unterstützung durch die Zündeinrichtung am Punkt 86a oder stromabwärts desselben stetig zu verbrennen. Der Brenner feuert abwärts durch die Öffnung 43 in die Brennkammer 92, wobei die Position der Flamme relativ zum Punkt 86a abhängig ist von der Zusammensetzung und Strömungsrate des Luft/Gas- Gemisches durch den Flammenstreifen hindurch. Ein schnelles Zünden über die Unterseite des Brenner-Flammenstreifens 50 hinweg wird durch das Vorsehen des Querzündweges 90 erleichtert. Die Hohlräume 80 in den Trennwänden oder Wgnden 64 dienen dazu, die wärmeleitung vom unteren Wandteilstück 72 durch das Wand- Zwischenteilstück 74 hindurch in das obere Wandteilstück 70 und daher auch die Konvektion von Wärme durch die Oberfläche 71 hindurch in das Luft/Gas-Gemisch zu begrenzen, das das konvergierende Einlaßteilstück 84 des Schlitzes 66 passiert. Der Zweck einer solchen Begrenzung besteht darin, zu verhindern, daß die Oberfläche 71 eine Temperatur annimmt, die genügend hoch ist, um das Luft/Gas-Gemisch im Einlaßteilstück 84 zu zünden.
• Der Wirkungsgrad des Brenners wird optimiert, indem der geschlitzte Flammenstreifen entsprechend den folgenden Parametern konstruiert wird:
• Länge des geraden Schlitzteilstücks (L) / Breite des geraden Schlitzteilstücks (w) ≤ 10
• Teilung der Schlitze über den Brenner-Flammenstreifen (P) / Breite des geraden Schlitzteilstücks (w) ≥ 2
• Länge des geraden Schlitzteilstücks (L) ) Länge des konvergierenden Einlaßteilstücks (1).
• Nur zur Veranschaulichung hat ein typischer geschlitzter Keramikbrenner-Flammenstreifen folgende Abmessungen:
• Untersuchungen haben gezeigt, daß unter Gehäuse- und Feuerungsbedingungen, bei denen eine vorgemischte Verbrennung normalerweise Resonanzgeräusche erzeugen würde, eine Anordnung unter Verwendung eines Brenners, wie oben beschrieben, mit zwanzig Schlitzen 66 mit je einer Abmessung von 40 mm zwischen den Wänden 52, 54, zusammen mit einer dicht positionierten porösen Platte frei von Resonanzgeräuschen war, und zwar bei allen Raten von Wärmeeingang im Bereich von 1 Kilowatt bis 5,5 Kilowatt.
• Wenn auch ein besonderes Ausführungsbeispiel der Erfindung oben beschrieben wurde, so können doch verschiedene Abänderungen und Verbesserungen vorgenommen werden. Beispielsweise können die divergierenden Auslaßteilstücke 88 weggelassen werden, so daß das untere Ende jedes Schlitzes 66 (wie in Fig. 1 und 2 gesehen) am unteren Ende 86a des Schlitzteilstücks 86 von konstanter Dimension endet.
• Auch brauchen die konvergierenden Einlaßteilstücke 84 nicht unbedingt zwischen schräg zulaufenden Wänden 70 mit geraden oder flachen Seiten 71 begrenzt zu sein, sondern eine Konvergenz mit varuerendem Winkel haben, wobei die schräg zulaufenden Wände Seiten von konvexer elliptischer Form haben, wie schematisch durch die strichpunktierten Linien 100 in Fig. 4 dargestellt.

Claims (10)

1. Mit Brennstoff betriebener Brenner, der eine Kammer (24) zur Aufnahme einer Vormischung aus Brennstoff und Luft umfaßt, wobei eine Wand (50) der Kammer mit mehreren länglichen Schlitzen (66) versehen ist, die durch die Wand verlaufen, wobei jeder Schlitz ein konvergierendes Einlaßteilstück (84) und ein divergierendes Auslaßteilstück (88) aufweist; dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Brenner um einen Brenner mit vollständiger Vormischung handelt, daß das Einlaßteilstück (84) bis zu einem Ende (84a) konvergiert, das zu einem im Wesentlichen eine konstante Abmessung aufweisenden Teilstück (86) führt, daß das Auslaßteilstück (88) von dem dem Einlaßteilstück (84) abgelegenen Ende (86a) des Teilstücks (86) mit konstanter Abmessung aus divergiert und daß die Teilung der Schlitze (66) entlang der Kammerwand P, die Breite jedes Schlitzes (66) w und die Länge des Teilstücks mit konstanter Abmessung L ist, wobei L/W ≥ 10 und P/W ≥ 2 ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, bei dem die Länge des Einlaßteilstücks (84) 1 ist und wobei L ≥ 1 ist.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Verteilungseinrichtung (40) den Einlaßteilstücken (84) der Schlitze (66) zur Verteilung des Brenngas/Luft-Gemisches auf gleichmäßige Weise und mit einer geringen Strömungsturbulenz der Schlitze (66) vorgeschaltet ist.

4. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Ablenkmittel (40) hoher akustischer Impedanz den Einlaßteilstücken (84) der Schlitze (66) vorgeschaltet ist.

5. Brenner nach Anspruch 4, bei dem das Ablenkmittel (40) dicht an den Einlaßteilstücken (84) der Schlitze (66) angeordnet ist, um das Raumvolumen zwischen der stromabwärts gelegenen Seite des Ablenkmittels (40) und den Einlaßteilstücken (84) auf ein Minimum zu reduzieren, damit der Brenner weniger resonanzbedingtes Verbrennungs geräusch erzeugt.

6. Brenner nach den Ansprüchen 3, 4 und 5 , bei dem eine poröse Platte sowohl als Verteilungsmittel als auch als Ablenkmittel (40) dient.

7. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jedes konvergierende Einlaßteilstück (84) einen unterschiedlichen Konvergenzwinkel aufweist.

8. Brenner nach Anspruch 7, bei dem jede Seitenwand (100) des konvergierenden Einlaßteilstücks (84) eine konvexe, elliptische Krümmung aufweist.

9. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Wandteilstücke (72) der Wand (64) zu jeder Seite der Schlitze (66) mit aufeinander ausgerichteten Ausnehmungen (87) versehen sind, die als Zündweg (90) quer durch den Brenner dienen.

10. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Vertiefungen oder Hohlräume (80) in den Wandteilen (74) zu jeder Seite der Schlitze (66) vorgesehen sind.