-
Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Sauerstoff-Brenngas-Brenner zur Verwendung in einem
feuerfesten Brennerblock von Glasverteilungs- und Konditionierungskanälen zur
thermischen Behandlung von Glas und dem Kanal unter Verwendung eines
Sauerstoff-Brenngas-Brenners. Mehr im einzelnen bezieht sich die
vorliegende Erfindung auf einen Glasvorofen, der einen so ausgelegten
Brenner umfasst, daß ein
Brenngas mit Sauerstoff verbrannt wird, und eine Flamme kontrollierter
Länge zu erzeugen,
um Wärme
in gesteuerter Weise zur Wärmebehandlung
von Glas zuzuführen.
-
Wie auf dem Fachgebiet bekannt ist,
umfasst ein Glasvorofen typischerweise einen länglichen Kanal, der durch feuerfeste
Seitenwände
definiert ist, durch welche geschmolzenes Glas langsam durch Schwerkrafteinwirkung
aus einem Glasofen zu einem Formungsprozeß strömt, z. B. zu einer Glaswarenformmaschine,
zur thermischen Konditionierung. Während das geschmolzene Glas
durch den Glasvorofen strömt,
wird das geschmolzene Glas durch Modifizieren der Temperatur des
Glases am Eintritt in den Kanal auf eine gewünschte Austrittstemperatur und
Homogenisieren der Temperatur des Glases konditioniert, um Querschnittstemperaturgradienten zu
begrenzen und geschmolzenes Glas einer geeigneten Temperatur und
Viskosität
zum Formungsprozeß bereitzustellen.
-
Ein bekanntes Verfahren zum thermischen Konditionieren
von Glas im Vorofen ist das Unterteilen des Glasvorofens in eine
Reihe von Sektionen oder Zonen, wobei jede Sektion oder Zone einen oder
mehrere Brenner aufweist. Die Brenner können selektiv die Randbereiche
des geschmolzenen Glasstroms und die Kanalseitenwände rückerhitzen,
um die schnellere Abkühlung
der äußeren Schichten
des Glasstroms auszugleichen, die durch Wärmeverluste durch die Außenwände verursacht
werden, und die Kanalseitenwände
erwärmen,
um die Bildung eines Temperaturgradienten zu verhindern, der zu
unerwünschtem
Wärmeverlust
führt,
und zusätzlich
das gesamte Glasvolumen unter dem jeweiligen Produktionsanforderungen
erwärmen,
z. B. einem Nichtströmungszustand.
Jeder Brenner des Vorofens ist innerhalb einer Öffnung eines feuerfesten Brennerblocks längs der
Seitenwände
des Glasvorofens positioniert und so ausgelegt, daß er aus
dem Brennerblock in eine Brennzone hineinbrennt, das heißt in den
Bereich zwischen den Vorofenseitenwänden und oberhalb des Glases,
um eine Brennerflamme zu erzeugen, die im wesentlichen innerhalb
einer Hülle
des Brennerblocks gelegen ist, um Wärmeenergie abwärts zu den
Kanal seitenwänden
und dem geschmolzenen Glas zu richten, das innerhalb des Kanals
strömt,
und/oder, je nach der Vorofenauslegung und/oder den Produktionsanforderungen,
eine Brennerflamme innerhalb der Brennzone zu erzeugen, um Wärme in den
Mittelbereich des Glasvorofenkanals zu richten.
-
Obwohl die vielen bekannten Variationen
der Glasvorofen- und Brennerkonstruktion sich als unter gewissen
Umständen
zufriedenstellend arbeitend erwiesen haben, werden weitere Verbesserung
der Konstruktion von Glasvorofen und Brenner gewünscht. Beispielsweise ist es
wünschenswert,
einen Glasvorofen zu schaffen, der in der Lage ist, eine verbesserte
Steuerung der thermischen Homogenität des Gasstroms, eine gesteigerte
Kapazität
oder Durchsatzrate, eine verringerte Volatisierung bei Borsilikat-
und anderen flüchtigen
Glastypen, und eine verbesserte Vorofenstandzeit bei flüchtigen
Glassorten zu erreichen. Es versteht sich, daß eine schlechte thermische
Homogenität
typischerweise durch stärkere
Wärmeableitung
durch die Seitenwände
des Vorofenkanals als dem Wärmeverlust
aus der Mitte des Kanals verursacht wird, was geringere seitliche Glastemperaturen
als bei dem Glas in der Mitte des Kanals erzeugt. Das Einblasen
von Kühlluft
entlang der Mitte des Glasvorofens innerhalb der Brennzone und eine
verbesserte Seitenwandisolierung tragen zur Minimierung dieses Zustands
bei, aber zeitweise ist es schwierig, die Seitenwandtemperaturen
auf oder oberhalb die Glastemperatur in der Mitte anzuheben. Dieses
Problem wird bei den großen
Volumen heißer
Verbrennungsprodukte noch verstärkt,
die in den Raum oberhalb des Glases austreten können und die Wirkung der Kühlluft verringern,
die innerhalb der gleichen Kammer strömen kann.
-
Zusätzlich zu dem Problem schlechter
thermischer Homogenität
versuche viele Glashersteller, ihre Produktionsgeschwindigkeiten
zu steigern. Steigerungen der Produktionsge- schwindigkeit können im
Formungsvorgang durch Beschleunigen der Formmaschine, beispielsweise
durch Übergang
auf Zweifach-, Dreifach- und Vierfacheinspeisverfahren, oder Steigerung
der Anzahl von Formhohlräumen, bewerkstelligt
werden. Dies kann eine Steigerung des Glasstroms bzw. der Abzugsrate
erfordern, was tpyischerweise erfordert, daß die Länge und/oder Breite der Voröfen erhöht wird.
Obwohl die Vergrößerung der
Länge des
Vorofens mit ziemlich nominellen Kosten erfolgen kann, resultiert
die Verlagerung des Tropf- und Strömungspunkts in Maschinen- und wahrscheinlich
Relokationskosten, die übermäßig sein
können.
Der Glashersteller muß entweder
die Kosten der Maschinenverlagerung übernehmen oder betriebliche
Probleme wie schlechtere thermische Homogenität in Kauf nehmen. Es ist klar,
daß thermisch
homogeneres Glas erforderlich ist, um das Gewicht zu verringern
oder die Qualität
der Glasware zu steigern, um so zu einer größeren Produktivität aus einem
gegebenen Ofen, niedrigeren Kosten für den Verbraucher und geringeren
Energiebedarf pro Glasgegenstand zu kommen.
-
Zusätzlich zu den vorgenannten
Problemen ist es bekannt, daß flüchtiges
Material im Glas proportional zur Differenz der Partialdrücke im Glas
und in der Atmosphäre über dem
Glas verdampft. Weil das Verbrennungsvolumen für einen Sauerstoff-Brennstoff-Brenner
kleiner ist als dasjenige für eine äquivalente
Menge von mit Luft verbranntem Brennstoff, ist die Konzentration
der flüchtigen
Spezien größer bei
Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennungsprodukten. Dies reduziert die
Verflüchtigungsrate
im Sauerstoff-Brennstoff-Vorofen, was zu geringerem Verlust des
flüchtigen
Materials aus dem Glas führt. Im
Falle von Borsilikatglas resultiert der Verlust an B2O3 aus der Glasoberfläche in einer Anreicherung von
Silika im Oberflächenglas.
Dies wiederum kann in einer Silikakristallisierung auf der Glasoberfläche führen, was
ein festes Material erzeugt, das Probleme bei der Zufuhr des Glases
zum Formungsprozeß oder
Qualitätsdefekte
im Fertigprodukt verursachen kann.
-
Ein Sauerstoff-Brenngas-Brenner für einen Glasvorofen
gemäß der Erfindung
bezweckt, einige oder alle der Probleme des Standes der Technik
und insbesondere in Glasverteilungs- und -Konditionierungskanälen zu überwinden,
die mit Luft-Brenngas-Brennern arbeiten. Es versteht sich, daß ein Sauerstoff-Brenngas-Brenner
ein gleichwertiges oder größeres Maß an Wärmeübergang
auf das Glas in kürzerer
Distanz von den Kanalseitenwänden
erzeugen kann als Luft-Brenngas-Brenner, wegen des geringeren Massenströmungsdurchsatzes
der Gase, der kürzeren
Flammenlänge
aufgrund gesteigerter Verbrennungsrate, und der größeren Strahlungswärmeübertragung,
die aus der höheren
Flammentemperatur resultiert.
-
Es ist bekannt, daß ein Sauerstoff-Brenngas-Brenner
ein geringeres Volumen an Verbrennungsprodukten ausstößt als ein
Luft-Brenngas-Brenner.
-
Das Gesamtvolumen der Abgase aus
einem Luft-Brenngas-Brennsystem kann folgendermaßen angenähert werden:
Gesamtvolumen
= 1 Teil Gas + 2 Teile Sauerstoff + 8 Teile Stickstoff
Gesamtvolumen
= 11 Volumenteile
-
Das Gesamtvolumen der Abgase in einem Sauerstoff-befeuerten
Verbrennungssystem kann folgendermaßen angenähert werden:
Gesamtvolumen
= 1 Teil Gas + 2 Teile Sauerstoff
Gesamtvolumen = 3 Volumenteile
-
Unter der Annahme eines adiabatischen Systems
kann die Sauerstoff-Brenngas-Verbrennung in
einer bis zu 33%-igen Verringerung des Brennstoffbedarfs resultieren,
um die Temperatur der Abgase anzuheben. Daher verringert sich das
Gesamtvolumen der Abgase wie folgt:
Gesamtvolumen = 3 Teile × 0,7 (annähernd 1
Teil eingespart)
Gesamtvolumen = 2 Volumenteile (nach Berücksichtigung
der Brennstoffeinsparung)
-
Daher kann die Gesamtverringerung
des Abgasvolumens wie folgt angenähert werden:
Volumenreduzierung
= ((11 – 2)/11) × 100
Volumenreduzierung
= 82%
-
Der geringere volumetrische Abgasstrom, der
sich mit geringerer Geschwindigkeit bewegt., hat keinen so großen Heizeffekt
auf die Kühlluft,
die entlang der Mittellinie des Vorofendachs geleitet wird. Er hat
auch kein ausreichend großes
Moment, um die Kühlluftströmung abzulenken.
Dies steigert die Effektivität
der Kühlluft
bei der Absenkung der Temperatur des mittigen feuerfesten Dachs
und bei der Steigerung der Strahlungswärmeverluste aus der Mitte des Glasstroms.
-
Des weiteren wird vermutet, daß die Abzugsrate
eines Glasvorofens durch folgende Erscheinung gesteigert werden
kann: (1) Steigerung der Effektivität der Kühlluft durch das reduzierte
Volumen der Verbrennungsgase, die in die Kühlkammer eintreten, wie oben
erörtert,
und (2) eine Steigerung der effektiven Glasverweilzeit im Vorofen,
was eine zusätzliche Steigerung
der effektiven Abkühlrate
ermöglicht.
Die Glasverweilzeit ist ein hauptsächlicher Auslegungsparameter
in einem Vorofen. Die Glasverweilzeit wird normalerweise als die
Zeit (in Minuten) betrachtet, die ein Glasquerschnitt braucht, um
sich vom Eintritt in den Vorofen zum Auslauf in Gestalt eines Pfropfens
zu bewegen, daher "Pfropfenstrom".
-
Das Verhältnis der "Pfropfenstrom"-Verweilzeit
zur Vorofenleistung wird durch betriebliche Bestimmung statt durch
theoretische Berechnung ermittelt, d. h. die kritische minimale
Verweilzeit für
eine gegebene Vorofenkonstruktion wird als die Zeit bestimmt, bevor
eine schrittweise Zunahme der Abzugsrate in schlechter thermischer
Homogenität
resultiert. In der tatsächlichen
Praxis ist es bekannt, daß das
mittige Glas sich in kürzerer
Zeit durch den Vorofen bewegen kann, als die unter Annahme eines Pfropfenstroms
berechnete Verweilzeit beträgt.
Obwohl dies teilweise durch die Reibung an der feuerfesten Grenzfläche verursacht
wird, ist der Hauptgrund der Strömungswiderstand
aufgrund der höheren
Glasviskosität.
Das Seitenglas erfährt
eine Wärmeableitung
durch die Kanäle
und erhält
eine niedrigere Temperatur und dadurch eine höhere Viskosität. Dieser
Effekt verbindet sich mit dem Widerstand der Seitenwand, welche
die Glasgeschwindigkeit verlangsamt, was einen noch größeren Wärmeübergang
ermöglicht
und das Glas noch mehr abkühlt, was
wiederum die Viskosität
erhöht,
was das Glas noch mehr verlangsamt, was wiederum mehr Wärme ableitet,
usw.
-
Es wird vermutet, daß Sauerstoff-Brenngas-Brenner
die Seitenwände
des Vorofens effektiv derart erwärmen,
daß die
Seitenglasgeschwindigkeit zunimmt. Eine vergrößerte Seitenglasgeschwindigkeit
bedingt eine reduzierte Mittenglasgeschwindigkeit beim gleichen
Glasvolumenstrom und ermöglicht mehr
Zeit zum Beeinflussen oder Reduzieren der Mittenglastemperatur durch
die Kühlluft.
Als Ergebnis kann der Vorofen mit erhöhter Einlaßtemperatur für eine gegebene
Tonnage betrieben werden oder eine Steigerung der Abzugsrate bei
einer gegebenen Einlasstemperatur ermöglichen.
-
Im Hinblick auf eine verringerte
Glasvolatisierung wird vermutet, dass das geringere Volumen der
Verbrennungsprodukte auch die Konzentration flüchtiger Materialien über dem
Glas steigert, was wiederum die Verdampfungsrate flüchtiger
Materialien reduziert. Darüberhinaus
wird vermutet, daß die niedrigere
Geschwindigkeit der über
das Glas strömenden
Abgase die Menge der Verflüchtigung
reduziert.
-
Die GB-A-1 027 041 bezieht sich auf
eine Kombination aus Sauerstofflanze und Hochtemperaturbrenner für flüssigen Brennstoff
mit einem an einem Ende offenen Gehäuse, Kanälen zum Zuführen eines flüssigen Kühlmittels,
das in Wärmeaustausch mit
dem Gehäuse
steht, zum offenen Ende hin und wieder zurück, einer innerhalb des Gehäuses nahe dem
offenen Ende gelegenen Brennkammer, ersten und zweiten Zuführkanälen zur
gesonderten Zufuhr von Brennstoff und Sauerstoff in die Kam xc mer,
und einem gedrosselten Aus-laß, der aus
der Kammer zum offenen Ende führt.
-
Die EP-A-633 228 beschreibt einen
Brenner zur Verwendung bei der Erzeugung von Glasgegenständen, der
Brennstoffmittel zum Einspritzen eines Brennstoffstroms aus einer
Brennstofföffnung
und Sauerstoffmittel zum Einleiten eines ringförmigen Brennstoffstroms um
den Brennstoff ausweist. Die Sauerstoffgeschwindigkeit zur Brenngasgeschwindigkeit
liegt im Bereich von 1 : 1 bis 3 : 1. Eine Flamme wird erzeugt,
deren heißester
Punkt innerhalb von 13 cm von der Brennstofföffnung liegt.
-
Im Hinblick auf das Vorstehende ist
es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sauerstoff-Brenngas-Glasvorofenbrenner
zu schaffen, der eine kontrollierte Flammenlänge erzeugt. Ein weiteren Ziel
der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Sauerstoff-Brenngas-Brenners,
bei welchem der größte Teil
der Wärmeenergie
aus der Brennerflamme unter einem Bogen eines Brennerblocks innerhalb
einer Umfassung des Brennerblocks freigesetzt wird. Ein noch weiteres
Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Sauerstoff-Brenngas-Brenners, bei
welchem die Flamme nicht übermäßig über den Umfang
des Brennerblocks hinausragt. Ein noch weiteres Ziel der vorliegenden
Erfindung ist die Schaffung eines Sauerstoff-Brenngas-Brenners zum
effizienten Erwärmen
der Kanalseitenwände
und der Randbereiche des Glasstroms durch Rückstrahlung. Ein weiteres Ziel
ist das Bereitstellen von Wärme
für das
gesamte Vorofenglasvolumen, um Temperaturen während gewisser Produktionsanforderungen
aufrechtzuerhalten, insofern braucht die Flamme nicht darauf beschränkt zu werden,
Wärme nur
innerhalb des Brennerblocks freizusetzen, sondern es kann auch verlangt
werden, daß sie über die
engen Bereich an der Seite des Glases hinausragt, das normalerweise
zu erwärmen
ist. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist das Schaffen eines Sauerstoff-Brenngas-Brenners,
der einfach und ökonomisch
zu betreiben und/oder herzustellen ist.
-
Obwohl der Brenner nach der vorliegenden Erfindung
hauptsächlich
im Zusammenhang mit einem Glasvorofen beschrieben worden ist, ist
leicht erkennbar, daß die
vorliegende Erfindung auch mit gleicher Möglichkeit bei nicht mittig
gekühlten
Voröfen
eingesetzt werden kann, beispielsweise bei solchen, wie sie bei
der Glasfasererzeugung und als Brenner für einen Verteiler, einen Raffinierer,
einen Schmelzer und dgl. eingesetzt werden können, und die Beschreibung
derselben in Bezug auf einen Glasvorofen ist nicht als Begrenzung
des Schutzbereichs der Erfindung anzusehen.
-
Brennstoff und Sauerstoff können in
die Brennerspitzenkammer mit einem Strömungsdurchsatz von nicht mehr
als 3 SCFH Brenngas und 6 SCFH Sauerstoffgas zugeführt werden,
und der Brennstoff und der Sauerstoff werden innerhalb der Brennerspitzenkammer
gezündet,
um innerhalb der Brennerspitzenkammer eine solche Flamme zu erzeugen,
daß im
Betrieb des Brenners die Flamme bei Betrieb mit Brennstoff- und
Sauerstoffströmungsraten
zum Brenner von mehr als 0,226 m3/h (8 SCFH) bzw. 0,453 m3/h (16
SCFH) in der Brennerspitzenkammer festgelegt bleibt. Weitere Vorteile
der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen deutlich, in welchen zeigt:
-
1 einen
Querschnitt eines Glasflorofens mit einem Sauerstoff-Brenngas-Brenner
nach der Erfindung,
-
2 eine
Frontansicht eines Sauerstoff-Brenngas-Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung,
-
3 einen
teilweisen Querschnitt längs
der Linie 3-3 des in 2 dargestellten
Sauerstoff-Brenngas-Brenners, und
-
4 einen
Querschnitt eines Sauerstoff-Brenngas-Brenners innerhalb eines feuerfesten Brennerblocks
nach einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung.
-
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug
genommen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen.
Die 1 bis 4 zeigen beispielsweise einen
Glasvorofen 10 und eine Mehrzahl von Sauerstoff-Brenngas-Brennern 12 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der Glasvorofen 10 umfaßt typischerweise einen länglichen
Kanal 14, der durch feuerfeste Seitenwände 16 gebildet ist,
und durch welchen geschmolzenes Glas 18 langsam aufgrund Schwerkraft
von einem Glasofen (nicht dargestellt) zu einem Formungsprozeß (nicht
dargestellt), beispielsweise einer Glaswarenformmaschine, zur Wärmebehandlung
strömt.
Während
das geschmolzene Glas 18 durch den Glasvorofen 10 strömt, wird
das geschmolzene Glas thermisch behandelt.
-
Die Brenner 12 des Glasvorofens 10 sind
innerhalb feuerfester Brennerblöcke 20 positioniert,
die entlang der Seitenwände 16 des
Glasvorofens angeordnet sind und so ausgelegt sind, daß sie aus
dem Brennerblock in eine Brennzone 22 feuern. Je nach der
gewünschten
Wirkung kann der Brenner 12 eine Flamme erzeugen, die im
wesentlichen innerhalb der Umhüllung 24 eines
Brennerblocks 20 liegt, um Wärmeenergie abwärts zu den
Kanalseitenwänden 16 und
zu dem zwischen den Seitenwänden
innerhalb des Kanals 14 strömenden geschmolzenen Glas 18 zu
richten.
-
Bei der Betrachtung der Figuren erkennt man,
daß aus
Gründen
der Klarheit gewisse Einzelheiten der Konstruktion und des Betriebs
des Vorofens 10 und der Brenner 12 nicht dargestellt
sind, da solche Einzelheiten herkömmlich und im Rahmen der Offenbarung
und Erläuterung
der Erfindung gut bekannt sind. Wegen weiterer Information bezüglich der Konstruktion
von Vorofen und Brenner sowie deren Betrieb wird auf die US-A-5
358 541 und die US-A-4 604 132 und die allgemeine Literatur zur
Glasherstellung Bezug genommen.
-
Gemäß den 1 bis 4 sind
die Glasvorofenbrenner 12 gemäß der Erfindung so ausgelegt, daß sie ein
Brenngas mit Sauerstoff zur Erzeugung von Wärme in gesteuerter Weise auf
die umgebenden feuerfesten Materialien und das geschmolzene Glas 18 verbrennen,
das innerhalb von Reinigungs-, Konditionierungs- und Verteilungskanälen strömen kann,
d. h.
-
innerhalb des Glasvorofens, Verteilers,
Reinigers, Schmelzers. Das Brenngas kann meistens irgendein geeigneter
gasförmiger
Kohlenwasserstoff wie beispielsweise Methan und dgl. sein. Das Brenngas
wird zum Brenner 12 aus einer Brennstoffquelle (nicht dargestellt)
durch eine Brenngasleitung 26 zugeführt, die zu einem mittigen
Brennstoffauslaß 28 verläuft. Sauerstoff
wird zum Brenner aus einer Sauerstoffquelle (nicht dargestellt)
durch eine Sauerstoffleitung 30 zugeführt. Die Sauerstoffleitung 30 ist
umfangsmäßig um die
Brenristoffleitung 26 beabstandet und weist eine Mehrzahl
von Kanälen 30a auf,
die radial zu Sauerstoffauslässen 32 konvergieren.
Wie in 3 und 4 dargestellt ist, befinden
sich die Sauerstoffauslässe 32 am
vorderen Ende der Kanäle 30a und
sind fluchtend mit dem vorderen Ende des Brennstoffauslasses 28 angeordnet.
Die Kanäle 30a können unter
einem Winkel bezüglich
einer Radiallinie versetzt und mit Bezug auf die Längsmittelachse des
Brenners 12 unter einem Winkel verlaufen, um die Sauerstoffströmung zu
verwirbeln und eine gesteigerte turbulente Vermischung des Sauerstoffs und
des Brenngases nach dem Austritt aus den Sauerstoffauslässen 32 und
dem Brennstoffauslaß 28 zu bewirken.
-
Das äußerste Teil des Brenners 12 ist
ein Brennergehäuse 34.
Das Brennerhäuse 34 hat
einen zylindrischen Körper 36,
der sich zu einer äußeren Düse 38 verjüngt. Die äußere Düse 38 hat
eine konische Form und umrundet und umschließt den Brennstoffauslaß 28 und
die Sauerstoffauslässe 32 zur
Bildung einer Brennerspitzenkammer 40, in welcher Brenngas
und Sauerstoff konvergieren, sich vermischen und verbrennen, um
innerhalb der Brennerspitzenkammer eine Flamme zu erzeugen, die
davon nach außen
ragt, so daß die
Flamme von stabiler Form und in der Spitzenkammer verankert ist.
Der einen verringerten Durchmesser aufweisende Auslaß der äußeren Düse 38 verhindert,
daß Verunreinigungen
und dgl. in die Brennerspitzenkammer 40 eintreten und den
Brennstoffauslaß 28 verstopfen.
Des weiteren bietet die konische Form der äußeren Düse 38 einen verringerten
Oberflächenbereich,
der der Strahlungswärme
aus dem Brennraum 22 innerhalb des Kanals ausgesetzt ist,
wodurch die Standzeit des Brenners 12 verlängert wird.
-
Das Brennergehäuse 34 und weitere
Komponenten des Brenners 12 können aus einem geeigneten Material
gebildet sein, das den schädlichen Wirkungen
der Verbrennung und der Hochtemperaturumgebung standhält. Geeignete
Materialien für den
Brenner 12 umfassen hochtemperaturfeste und korrosionsbeständige Nickellegierungen,
z. B. Inconel 600, rostfreie Stähle oder Keramikmaterialien
und dgl.
-
Wie in den 2 und 3 gezeigt
ist, sind der Brennstoffauslaß 28 und
die Sauerstoffauslässe 32 durch
Kanäle
gebildet, die teilweise durch ein inneres Rohrteil 42 geformt
sind, das innerhalb des zylindrischen Körpers 36 des Brennergehäuses 34 längs verläuft, und
durch eine innere Düse 44,
die innerhalb des Brennergehäuses
sitzt und an den Innenflächen der äußeren Düse 38 anliegt.
-
Das innere Rohrteil 42 ist
von hohlzylindrischer Form und hat eine Längsmittelachse, die mit der
Längsmittelachse
des Brennergehäuses 34 zusammenfällt. Die
Seitenwände
des inneren Rohrteils 42 und eine Innenwand des Brennergehäuses 34 bilden
in Zusammenwirkung miteinander einen Ringraum dazwischen, der als
Teil der Sauerstoffleitung 30 dient. Entsprechend wirkt
der Raum innerhalb des hohlzylindrischen inneren Rohrteils 42 als
ein Teil der Brenngasleitung 26.
-
Mit einem Ende des inneren Rohrteils 42 ist die
innere Düse 44 funktionsmäßig verbunden.
Für leichten
Zusammenbau und leichte Wartung und zur Bildung einer ausreichenden
Dichtung ist die innere Düse 44 vorzugsweise
auf das inner Rohrteil 42 aufgeschraubt. Jedoch versteht
sich, daß die
innere Düse 44 auch
in jeder sonstigen geeigneten Weise mit dem inneren Rohrteil 42 verbunden
sein kann. Die innere Düse 44 hat
eine nach vorne weisende Fläche
mit sich verjüngender
konischer Form, die angrenzend an die Innenfläche des Brennergehäuses 34 positioniert
ist. Der Verjüngungswinkel
der vorwärtsweisenden
Fläche
der inneren Düse 44 beträgt etwa
30° und
kann von etwa 15° bis
78° reichen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist die vordere Fläche
der inneren Düse 44 unter
einem Winkel entsprechendem dem Verjüngungswinkel der äußeren Düse 38 des
Brennergehäuses
verjüngt.
Die konische Form der äußeren Düse 38 des
Brennergehäuses 34 ermöglicht eine
Selbstzentrierung der inneren Düse 44 in
der Düse,
wodurch die Notwendigkeit irgend einer anderen Zentriereinrichtung
oder von Abstandshaltern zwischen dem zylindrischen Körper 36 und
dem inneren Rohrteil 42 vermieden wird. Die konische Form
der äußeren Düse 38 ermöglicht es auch,
daß der
Brenner 12 sich in einem typischen feuerfesten Block 20 selbst
zentriert, was Abdichtung und Montage unterstützt. Innerhalb der konischen vorderen
Fläche
der inneren Düse 44 sind
Nuten 46 mit Umfangsabständen um die innere Düse herum angeordnet.
Jede Nut 46 der inneren Düse 44 und die Innenfläche der äußeren Düse 38 bilden
im gegenseitigen Zusammenwirken die Kanäle 30a der Sauer stoffleitung 30,
die zum Sauerstoffauslaß 32 verlaufen,
wenn die innere Düse 44 bündig mit
der Innenfläche
der äußeren Düse 38 eingebaut
ist, wie vorstehend beschrieben, wodurch eine enge Toleranzkontrolle
des Durchmessers bzw. Querschnittsbereichs der Sauerstoffauslässe 32 erleichtert
wird. Das Ende der Nuten 46 und der Innenfläche der äußeren Düse 38 bildet
dann eine Reihe von Sauerstoffauslässen 32, die radial
um den Brennstoffauslaß 28 herum
angeordnet sind. Die Nuten 46 verlaufen radial vom Außendurchmesser
der inneren Düse 44 zum
innersten Durchmesser der inneren Düse. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Nuten 46 unter einem Winkel von einer Radiallinie
versetzt und mit Bezug auf die Längsmittelachse
des Brenners 12 abgewinkelt, um die Sauerstoffströmung zu
verwirbeln und eine gesteigerte turbulente Vermischung des Sauerstoff
und den Brenngases beim Austritt aus den Sauerstoffauslässen 32 und
dem Brennstoffauslaß 28 zu
erzeugen. Zusätzlich
dient die Sauerstoffströmung
um die konische innere Düse 44 zum
Kühlen
der inneren Düse
und des äußeren Brennergehäuses 34 zur
Verringerung eines Krackens von Brennstoffs (Kohlenstoffablagerungen).
-
Es versteht sich, daß die Konstruktion
der Kanäle 30a nach
der Erfindung die Verwendung von Präzisionsbearbeitungsverfahren
ermöglicht,
um die gewünschten
Strömungs/Druckeigenschaften
des Sauerstoff-Brenngas-Brenners zu erzeugen, die vermutlich auf
andere Weise durch Zentrierens eines Rohrs innerhalb eines Rohrs
erreichbar sind.
-
Die innere Düse 44 weist eine Brenngasöffnung 48 auf,
die sich entlang der axialen Länge
der Düse
erstreckt und am Brenngasauslaß 28 aus
der Düse
herausführt.
Die Brenngasöffnung 48 bildet
im Zusammenwirken mit einem Teil des hohlzylindrischen inneren Rohrteils 42 die
Brenngasleitung 26 zur Zufuhr von Brennstoff zum Brennstoffauslaß 28. Wie
in 3 gezeigt ist, nimmt
der Innendurchmesser der Brenngasöffnung 48 der inneren
Düse 44 in Richtung
der Brenngasströmung
ab, um einen verengten Kanal und eine erhöhte Geschwindigkeit der Brenngasströmung zu
erzeugen. Die Brenngasöffnung 48 kann
ein Mittel 50 zum Erzeugen turbulenter Strömung des
Brenngases aus dem Brennstoffauslaß 28 enthalten. Bei
einer Ausführungsform
ist das Mittel zum Erzeugen einer turbulenten Strömung 50 ein
mit Gewinde versehener Teil auf der Innenoberfläche der Brenngasöffnung 48.
Jedoch kann jedes andere geeignete Mittel zum Erzeugen turbulenter Strömung des
Brenngases benutzt werden, wie Strömungsablenker und dgl. Brennstoff
und Sauerstoff werden zum hinteren Ende des konzentrischen zylindrischen
Körpers 36 und
des in neres Rohrteils 42 durch getrennte Verteiler 48 zugeführt, wie
auf dem Fachgebiet bekannt ist.
-
Der Brenner 12 kann einfach
und effizient betriebsmäßig zusammengebaut
werden, indem das innere Rohrteil 42 und die innere Düse 44 in
das Gehäuse 34 und
in Anlage mit der äußeren Düse 38 gedrückt werden.
Bei einer bevorzugten Ausfihrungsform, siehe 4, kann der Brenner 12 wegen
der einzigartigen Brennerkonfiguration betriebsmäßig dadurch zusammengebaut
werden, daß das
Brennergehäuse 34 in
Berührung
mit der Bezugskante einer Öffnung 52 innerhalb
des Brennerblocks 20 eingedrückt und das innere Rohrteil 42 und
die innere Düse 44 in
das Brennergehäuse 34 und
in Anlage mit der Innenfläche
der äußeren Düse 38 mittels
einer Vorspanneinrichtung eingedrückt werden. Die Vorspanneinrichtung
umfasst mindestens eine Feder 54. Bei einer bevorzugten
Ausfihrungsform umfasst die Vorspanneinrichtung mindestens zwei
Federn 54, die betriebsmäßig zwischen einer feststehenden
Lagerfläche 56 und
dem Gehäuse 34 bzw.
zwischen einer feststehenden Lagerfläche 56 und dem inneren Rohrteil 42 positioniert
sind. Die Federn 54 drängen den
Brenner 12 im Zentrum der Öffnung 52 in den feuerfesten
Brennerblock 20 und zentrieren die Düsen 38 und 44 und
ermöglichen
eine differentielle Wärmedehnung
des zylindrischen Körpers 36 und des
inneren Rohrteils 42 ohne Beeinträchtigung der Dichtung oder
der Zentrierung der Düsen.
-
Bei einer typischen Anwendung ist
das vordere Ende des Brennergehäuses 34 innerhalb
einer Öffnung 52 positioniert,
die im feuerfesten Brennerblock 20 in der Seitenwand des
Vorofens 10 oberhalb des geschmolzenen Glases 18 gebildet
ist. Die Achse des Brenners 12 ist im allgemeinen Senkrecht
zur Richtung des Glasstroms positioniert. Aus den Sauerstoffauslässen 32 austretender
Sauerstoff kann mit dem aus dem Brennstoffauslaß 28 austretenden Brenngas
in gesteuerter Weise vermischt werden, so daß die radiale Konvergenz der
Strömungswege
eine gute Vermischung und eine gesteuerte Flammenlänge über einen
weiten Strömungsbereich
ermöglicht. Ein
Vermischen des Sauerstoffs und des Brennstoffs innerhalb der Brennerspitzenkammer 40 und
beim Zünden
aus einer geeigneten Quelle erfolgt die Verbrennung, und es wird
innerhalb der Brennerspitzenkammer eine Flamme erzeugt. Wenn der
Strömungsdurchsatz
zum Brenner 12 zunimmt, ragt die Flamme aus der Brennerspitzenkammer 40 heraus
und wird nicht aus der Brennerspitze "ausgeblasen", wie dies bei
vergleichbaren Düsen
typischerweise erfolgt. Die resultierende Flamme aus der Brennspitzenkammer 40 erzeugt
Wärme,
die in das Glas und das umgebende feuerfeste Material 16 abgestrahlt
wird.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung
hat sich gezeigt, daß,
um ein Ausblasen der Flamme aus der Spitze zu vermeiden, der Brenner 12 bei
ausreichend niedrigen Strömungsraten
gezündet
werden muß,
so daß die
Flamme aus innerhalb der Brennerspitzenkammer 40 beginnt
und in der Brennerspitzenkammer verankert wird. Ein Zünden des
Brenners bei Strömungsdurchsätzen von
mehr als etwa 4 SCFH (0,113m3/h) Brenngas
und 8 SCFH (0,226 m3/h) Sauerstoff, je nach
der spezifischen Bemessung der Brennerkanäle und Öffnungen, bewirkt, daß die Flamme
außerhalb
der Brennerspitzenkammer 40 gebildet wird, bzw. beginnt,
so daß die
Flamme anschließend
bei zunehmenden Strömungsraten
auf der Spitze ausgeblasen wird. Dementsprechend wurde gemäß der Erfindung
gefunden, daß,
wenn eine Flamme innerhalb der Brennerspitzenkammer 40 gebildet
wird, die Strömungsraten
des Brenners 12 beträchtlich
gegenüber
herkömmlichen
Glasbrennerkonstruktionen gesteigert werden können, z. B. auf mehr als 8
SCFH (0,226 m3/h), und die Flamme nicht aus
der Brennerspitze herausgeblasen wird. Ein Sauerstoff-Brenngas-Brenner 12 nach
der vorliegenden Erfindung arbeitet in einem Strömungsbereich von etwa 2 bis
15 SCFH (0,057 bis 0,425 m3/h) Brenngas
und 4 bis 30 SCFH (0,113 bis 0,849 m3/h) Sauerstoff
bei Drücken
zwischen etwa 0,5 bis 25 Zoll Wassersäule (11,24 bis 562,275 N/m2) bei Raumtemperatur. Darüberhinaus
hat sich gezeigt, daß der Brenner 12 nach
der Erfindung in der Lage ist, über einen
Einstellbereich von 50 : 1 (maximaler Brennstoffströmungsdurchsatz
zu minimalen Brennstoffströmungsdurchsatz)
betrieben zu werden. Die vom Sauerstoff-Brenngas-Brenner 12 nach der
Erfindung erzeugte Flamme ist in der Lage, einen größeren Teil der
Wärmeenergie
unter dem Bogen bzw. der Umhüllung 24 des
Brennerblocks 20 eines Glasvorofens so freizusetzen, daß die Flamme
unter normalen Brennbedingungen, d. h. zwischen etwa 2 bis 6 SCFH (0,057
bis 0,17 m3/h) nicht übermäßig über den Brennerblock
hinausragt. Die Flamme kann sich auch außerhalb des Brennerblocks 20 erstrecken und
bewegt sich auch während
Perioden hoher Strömungsdurchsätze wie
Beispielsweise mehr als 8 SCFH (0,226 m3/h) nicht aus der Brennerspitzenkammer
fort.
-
Die Erfindung wird durch Betrachtung
des folgenden Beispiels weiter verdeutlicht, das beispielhaft für den Einsatz
der Erfindung gedacht ist.
-
Beispiel 1
-
Ein Brenner nach der vorliegenden
Erfindung wurde in einem rechteckigen Ofen getestet. Der Ofen wurde
in Annäherung
an den Brennraum vor einem Brennerblock und zwischen dem Dach eines Vorofens
und der Glasoberfläche
an der Seite des Vorofenkanals ausgelegt. Der Ofen wurde auf mehr als
800°C vorgeheizt,
und dann wurde der Brenner in den Ofen eingesetzt. Der Brenner erzeugte
eine Sauerstoffströmung
innerhalb des Gehäuses 34 und durch
unter einen Winkel verlaufende Nuten 46, die radial zu
einem mittigen Brenngasstrom konvergierte. Der Brenner wurde von
etwa 2 bis 15 SCFH (0,057 bis 0,425 m3/h)
Brenngas und 4 bis 30 SCFH (0,113 bis 0,849 m3/h)
Sauerstoffgas in stöchiometrischem
Verhältnis
betrieben, wobei der Druck über der
Strömung
und qualitativ Kommentare bezüglich Flammenform
und Geeignetheit aufgezeichnet wurden. Die Gas- und Sauerstoffdrücke waren
annähernd
gleich. Der Brenner wurde bei etwa 8 SCFH (0,226 m3/h)
Brenngas und 16 SCFH (0,453 m3/h) Sauerstoffgas
während
mindestens 2 Stunden in Betrieb gehalten, während ein Temperaturprofil über dem
Boden des Ofens zusammen mit der Blocktemperatur aufgezeichnet würde.
-
Der Brenner gemäß der Erfindung erzeugte eine
laminare Flamme innerhalb des Blocks bei Strömungen von etwa weniger als
1 SCFH (0,028 m3/h) bis etwa 3 SCFH (0,085
m3/h). Zwischen 3 und 3,6 SCFH (0,085 bis
0,102 m3/h) ragte die laminare Flamme leicht
aus dem Brennerblock heraus, erwärmte
aber immer noch den Brennerblockbogen. Es wurde festgestellt, daß bei etwa
14% Überschusssauerstoff
ein turbulentes Mischbild des Brennstoffs und des Sauerstoffs erzeugt
wurde. Bei 3,6 SCFH (0,102 m3/h) wurde die
Strömung
turbulent, und die Flamme zog sich innerhalb des Blocks zurück. Der primäre Wärmefreisetzungsbereich
lag unter dem Boden am Ende des Tunnels bei Strömungen bis zu 15 SCFH (0,425
m3/h). Während
der Tunnel bei den höchsten
Strömungsdurchsätzen sehr
heiß war,
wurde auch der Bogen beheizt.
-
Diagramme der im Boden und im Block
gemessenen Temperaturen wurden für
Sauerstoff. Brenngas-Brenner geringfügig unterschiedlicher Konstruktionen
und einen herkömmlichen Luft-Brenngas-Brenner
mit einer 25% höheren Brennstoffdurchsatzrate
verglichen. Diese Diagramme zeigen, daß die Sauerstoff-Brenngas-Brenner proportional
mehr der verfügbaren
Energie unter dem Bogen des Brennerblocks nahe dem Blockauslaß freisetzen
und daß sie
proportional mehr ihrer Energie zum Boden der Kammer nahe dem Brennerblockauslaß zuführen als
der Luft-Brenngas-Brenner, der einen großen Anteil seiner Energiefreisetzung über den
Ofen projezierte, was von dem höheren
Volumenstrom und Moment der Gase und der langsameren Verbrennungsgeschwindigkeit
herrührte.
-
Es wurde während des Testens beobachtet, daß zusätzliche
Vorteile der Brennerkonstruktion die kleine Düsenoberfläche, die der Strahlung im Vorofen
ausgesetzt ist, und die Kühlwirkung
der Sauerstoffströmung über die
innere Düse 44 sind.
Die innere Düse 44 zeigte
keine Zeichen eines Hitzeschadens oder eines Brennstoffkrackens
nach mehreren Stunden Betriebszeit. Der Brenner erzeugte die Flammenform,
Strömungsdurchsätze und
Rückdrücke, die
für die
Installation in neuen Glasvoröfenbrennerblöcken und
zum Ersatz in Standardvoröfenbrennerblöcken sowie
in Betriebsbrennerblöcken
erforderlich sind.