DE9007612U1

DE9007612U1 - Brenner zur stöchiometrischen Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen

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Publication number: DE9007612U1
Application number: DE9007612U
Authority: DE
Original assignee: ELCO ENERGIESYSTEME AG VILTERS CH
Current assignee: ELCO ENERGIESYSTEME AG VILTERS CH
Priority date: 1989-07-13
Filing date: 1990-03-22
Publication date: 1993-05-06
Anticipated expiration: 2000-03-23
Also published as: DE59007912D1; EP0410135A1; ATE115259T1; DE4009222A1; EP0410135B1

Description

DIPL-ING. GUIDO ENGELHAFtDfT " PATENTANWALT

7990 Friedrichshafen

ELCO OeI- und Gasbrenner
werk AG

CH - 7324 Vilters/Schweiz

Brenner zur stöchiometrischen Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner zur stöchiometrischen Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen, bestehend aus einer Zerstäuberdüse, der über eine Brennstoffleitung der Brennstoff zuführbar ist, einer die Zerstäuberdüse umgebenden Luftzuführungsleitung für die von einem Ventilator oder dgl. der Zerstäuberdüse zuzuführenden Verbrennungsluft und einer durch ein in einen Kesselraum ragendes Brennerrohr gebildeten Brennkammer, die mit einer Blende oder einer Stauscheibe versehen ist.

Unter der Bezeichnung "DFVLR-Verbrennungssystern Blaubrenner" ist ein Brenner dieser Art bekannt. Um in die Brennkammer kaltes Abgas einbringen zu können, sind bei dieser Ausgestaltung in das Brennerrohr eine Vielzahl von Bohrungen eingearbeitet, und des weiteren ist in dieses ein Mischrohr eingesetzt, mitcels dem das Abgas mit der Verbrennungsluft durchgemischt wird. Durch diese Intensivierung der Abgasrezirkulation in der Brennkammer läßt sich zwar

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in der Betriebsphase die Stickstoffmonoxyd-Emission absenken, der Bauaufwand ist hierbei jedoch erheblich. Abgesehen davon, daß das Einarbeiten der Bohrungen in das Brennerrohr lohnintensiv ist, ist ein gesondertes Mischrohr erforderlich, das auch in einer besonderen Weise abzustützen ist, damit die Rezirkulation des Abgases, das unmittelbar vor der Blende aus einem Ringraum zwischen dem Brennerrohr und dem Mischrohr in dieses einzuleiten ist, nicht zu sehr beeinträchtigt wird. Ferner hat sich auch als nachteilig gezeigt, daß in der Startphase, in der das Mischrohr und dessen Halterung noch nicht auf die Betriebstemperatur erwärmt sind, eine blaubrennende Flamme nicht gegeben und somit die Schadstoffemission hoch ist. Und da das Abgas in der Brennkammer das Mischrohr und dessen Halterung umspült, weist dieser Brenner auch einen hohen Geräuschpegel auf.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Brenner der vorgenannten Gattung in der Weise auszubilden, daß eine optimale Vergasung und äußerst gute Verbrennung des Luft-Brennstoff gemisches , vor allem auch bereits in der Startphase, in der Brennkammer ermöglicht wird und daß somit der Anteil der Stickoxide in den Abgasen während der gesamten Betriebsdauer des Brennners in einem erheblichen Maße reduziert werden kann. Des weiteren soll der Brenner äußerst geräuscharm arbeiten und die Flamme soll stets stabil sein und auf einem niederen Temperaturniveau blau ausbrennen. Der dazu erforderliche Bauaufwand soll gering gehalten werden, auch sollen Brenner nachrüstbar sein, um die Verbrennung in bestehenden Anlagen zu verbessern und damit eine Stickoxidreduktion zu gewährleisten.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß zur Einbringung von Abgas aus dem Kesselraum in die Brennkammer das Brennerrohr in dem der Blende zugekehrten Bereich mit mehreren, vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang

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verteilt angeordneten und sich in Längsrichtung des Brennerrohres erstreckenden Freisparungen versehen ist.

Zweckmäßig ist es hierbei, die Freisparungen des Brennerrohres in ihrer Größe derart auszubilden, daß die Summe der von dem Abgas durchströmten Querschnittsflächen der Freisparungen etwa der Querschnittsfläche der Blendenöffnung entspricht.

Bei einem Brennerrohr mit einer nach außen in Richtung der Brennkammeröffnung vorstehend geneigt verlaufenden Blende sollten die Freisparungen in einem Bereich in das Brennerrohr eingearbeitet sein, der durch den Anschluß der Blende an das Brennerrohr und einem Abstand von der Blendenöffnung, der gleich oder kleiner ist als deren zweifacher Durchmesser, bestimmt ist, bei einem Brenner mit einer senkrecht zu dessen Längsachse angeordneten Blende dagegen sollten die Freisparungen in einem Bereich in das Brennerrohr eingearbeitet sein, der sich in einem Abstand von etwa zwei Drittel bis etwa bis zum Zweifachen des Durchmessers der Blendenöffnung zu dieser erstreckt.

Die Freisparungen sind in vorteilhafter Weise als Längsschlitze auszubilden; diese können parallel zur Längsachse des Brennerrohres oder geneigt zu dieser verlaufend angeordnet sein .

Angebracht ist es des weiteren, wenn die in das Brennerrohr eingearbeiteten Freisparungen jeweils eine Länge aufweisen, die etwa dem Durchmesser der Blendenöffnung entspricht.

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Um die Betriebsgeräusche des Brenners zu mindern und außerdem die Flammenstabilitat, das Kaltstartverhalten sowie die Verbrennungswerte zusätzlich zu verbessern, kann ferner das Brennerrohr im vorderen Bereich der Brennkammer mit einer in diese ragenden vorzugsweise umlaufend ausgebildeten Einschnürung versehen sein.

Die Einschnürung sollte in einem Abstand vor der Brennkammeröffnung angeordnet sein, der etwa 1/3 der Länge der Brennkammer entspricht und kann in einfacher Weise durch eine in das Brennerrohr eingerollte Sicke oder durch ein in diesem angeordnetes Einsatzstück gebildet werden.

Zweckmäßig ist es auch, wenn die Einschnürung in dem in die Brennkammer ragenden Bereich einen dreieckförmigen Querschnitt aufweist, einer oder beide Übergänge zwischen der Einschnürung und dem Brennerrohr konkav, deren Spitze konvex gekrümmt ausgebildet sind und die Höhe der Einschnürung mindestens etwa der Wandstärke des Brennerrohres entspricht.

Das Brennerrohr und die Blendenöffnung sollten bei dem vorschlagsgemäß ausgebildeten Brenner in ihren Durchmessern derart bemessen sein, daß sich deren Querschnittsflächen etwa wie 10 : 1 verhalten.

Wird ein Brenner gemäß der Erfindung ausgebildet, indem in das Brennerrohr in dem der Blende zugekehrten Bereich mehrere in dessen Längsrichtung sich erstreckende Freisparungen eingearbeitet werden, so kann in einem ausreichenden Maße und gut verteilt Abgas in die Brennkammer einströmen, so daß eine blaubrennende rußfreie Flamme mit äußerst geringem Anteil an Stickoxiden in den Abgasen zu

erzielen ist. Das Abgas wird hierbei aufgrund der Injektorwirkung in die Brennkammer eingessogen und in die Flammenwurzel eingemischt, eine stöchiometrische Verbrennung des aus der Zerstäuberdüse ausgestoßenen Brennstoffes auf einem niederen Temperaturniveau, da die Brennerflamme durch das Abgas gekühlt wird, ist somit gewährleistet.

Ferner ist von Vorteil, daß in der Brennkammer die Flammenbildung durch Einbauten nicht beeinträchtigt wird. Vielmehr werden durch die Einschnürung die Brennerflamme" stabilisiert und die Verbrennungswerte weiter verbessert. Irgendwelche Bauteile sind demnach, um eine optimale Verbrennung zu erzielen, nicht aufzuheizen, so daß bereits in der Startphase eine stabile blaubrennende Flamme und damit eine schadstoffarme Verbrennung gegeben ist. Und da somit auch keine Einbauten und Halterungen umspült werden, arbeitet der erfindungsgemäß ausgebildete Brenner äußerst geräuscharm, wobei durch die im Brennrohr vorgesehene Einschnürung die Betriebsgeräusche weiter gemindert werden können.

Der Bauaufwand, mittels dem eine derartige optimale Verbrennung ermöglicht wird, ist äußerst gering, da lediglich in das Brennerrohr mehrere Freisparungen sowie eine Einschnürung, durch die auch die Stabilität des Brennerrohres gesteigert wird, einzuarbeiten sind. Durch die vorschlagsgemäße Konstruktion wird demnach nicht nur bezüglich der Verbrennungsqualität eine weitgehende Kessel-Brennkammerunabhängigkeit errreicht, sondern es werden auch auf jedem bekannten Kessel äußerst günstige Stickoxidwerte erzielt. Des weiteren können bestehende Anlagen ohne Schwierigkeiten leicht nachgerüstet werden, so daß kurzzeitig die durch Heizungen gegebenen Abgasbelastungen gemindert werden können.

In der Zeichnung sind unterschiedliche Ausführungsbeispiele des gemäß der Erfindung ausgebildeten Brenners zur stöchiometrischen Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen dargestellt, die nachfolgend im einzelnen erläutert sind. Hierbei zeigt, jeweils in einem Längsschnitt und in schematischer Darstellung:

Figur 1 den Brenner mit in dessen Brennerrohr eingearbeiteten Freisparungen ,

Figur 2 den Brenner nach Figur 1 mit in Achsrichtung geneigt angeordneten Freisparungen,

Figur 3 den Brenner nach Figur 1 mit einer achssenkrecht angeordneten Blende und gemäß Figur 2 ausgebildeten Freisparungen,

Figur 4 den Brenner nach Figur 1 mit einer zusätzlich in das Brennerrohr eingearbeiteten

Einschnürung und

Figur 5 die bei dem Brenner nach Figur 4 vorgesehene Einschnürung in einer vergrößerten Darstellung .

Der in den Figuren 1 bis 4 dargestellte und mit 1, I¹ bzw. I¹¹ bezeichnete Brenner dient zur stöchiometrischen Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Medien und besteht im wesentlichen aus einem Brennerrohr 11 und einer Zerstäuberdüse 12, der über eine mit einem Filter 17 versehenen Brennstoffleitung 15 mittels einer in dieser eingesetzten Pumpe 16 aus einem Vorratsbehälter 14 der Brennstoff zugeführt wird. Die Zerstäuberdüse 12, der eine Zündelektrode 18 oder eine Zündkerze zugeordnet ist, ist von einer Luftzuführungsleitung 13 umgeben, in der die von einem Ventilator

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19 geförderte Verbrennungsluft zugeführt wird. Die Luftzuführungsleitung 13 ist hierbei durch eine Verlängerung des Brennerrohres 11 gebildet, die mittels eines Flansches 5 an der Wand 4 eines Heizkessels 2 befestigt ist, so daß das Brennerrohr 11 in dessen Kesselraum 3 hineinragt.

Zwischen dem Brennerrohr 11 und dem Luftzuführungsrohr ist eine kegelig ausgebildete Blende 21 oder gemäß Figur eine achssenkrecht angeordnete Blende 21' eingesetzt, die zentrisch jeweils mit einer Blendenöffnung 22 bzw. 22' versehen ist. Auf diese Weise ist in dem Brennerrohr eine Brennkammer 20 geschaffen, in der der eingebrachte Brennstoff verbrannt wird und aus dessen Brennkammeröffnung 23 die Flamme F austritt.

Um in der Brennkammer 20 eine stöchiometrische Verbrennung auf einem niederen Temperaturniveau zu erzielen, sind in das Brennerrohr 11 sich in dessen Achsrichtung erstreckende gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete Freisparungen 31 bzw. 31' eingearbeitet, die gemäß Figur 1 als parallel zur Längsachse A des Brennerrohres 11 verlaufende Schlitze 32 und gemäß den Figuren 2 und 3 als zu dessen Achsrichtung A geneigt verlaufende Schlitze 32' ausgebildet sind. Das durch die mit R bezeichneten Pfeile dargestellte Abgas kann somit aus dem Kesselraum 3 in die Brennkammer 2 gut verteilt einströmen. Das Abgas R wird hierbei aufgrund der durch die durch die Blendenöffnung 22 bzw. 22' einströmende Verbrennungsluft sowie den eingespritzten Brennstoff hervorgerufenen Injektorwirkung in jeder Betriebsphase des Brenners 1 in die Brennkammer eingesogen, wobei gewissermaßen selbsttätig in Abhängigkeit von den Strömungsgeschwindigkeiten der Verbrennungsluft und/oder des Brennstoffes eine Regelung der eingesaugten Abgasmenge vorgenommen wird.

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Damit das Abgas R in der Flammenwurzel der Flamme F beigemischt wird, sind bei der Ausgestaltung nach Figur 1 die Freisparungen 31 in einem Bereich b angeordnet, der an der Anschlußstelle der Blende 21 an das Brennerrohr beginnt und in einem Abstand a zur Blendenöffndung 22 endet, der gleich oder kleiner ist als dersn zweifacher Druchmesser d. Außerdem entspricht die Summe der Querschnittsflächen der gleichmäßig über den Umfang des Brennerrohres 11 verteilt angeordneten Freisparungen 31 etwa der Querschnittsfläche der Blendenöffnung 22.

Bei der Ausgestaltung nach Figur 3 sind die in Achsrichtung A des Brennerrohres 11 geneigt angeordneten Freisparungen 31* in einem Bereich b¹ in dieses eingearbeitet, der sich in einem Abstand a. von etwa 1/3 des Durchmessers d der Blendenöffnung 22' und einem Abstand a_? von etwa dem Zweifachen des Durchmessers d der Blendenöffnung 22' zu dieser erstreckt. Aus diesen Parametern lassen sich ohne weiteres die Länge und die Breite der Freisparungen 31 bzw. 31' bestimmen. Und da sich die Querschnittsflächen des einen Durchmesser D aufweisenden Brennerrohres 11 und der Blendenöffnung 22 bzw. 22' etwa wie 10 : 1 verhalten, ist durch die Beimischung des Abgases R in die Wurzel der Flamme F ein rußfreier Ausbrand gewährleistet.

Gemäß den Figuren 4 und 5 kann, um das Betriebsverhalten des Brenners 1 weiter zu verbessern, in das Brennerrohr 11 im vorderen Bereich der Brennkammer 20 zusätzlich eine Einschnürung 41 eingearbeitet werden, die durch eine eingerollte Sicke 42 gebildet sein kann. Die Einschnürung 41 sollte in einem Abstand s vor der Brennkammeröffnung 23 angeordnet sein, der etwa 1/3 der Länge der Brennkammer 20 entspricht. Außerdem sollte die Einschnürung 41 in dem in die Brennkammer 20 ragenden Bereich

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einen dreieckförmigen Querschnitt aufweisen, und die Übergänge 43 zwischen der Einschnürung 41 und dem Brennerrohr 11 sollten konkav, deren Spitze 44 dagegen sollte konvex gekrümmt sein.

Die umlaufende Einschnürung 41, deren Höhe h mindestens der Wandstärke des Brennerrohres 11 entsprechen sollte, wirkt insbesondere in der Startphase des Brenners 1 gewissermaßen als Bremse, da durch diese die Flamme in das Innere der Brennkammer 20 abgelenkt wird und somit ein Wirbel entsteht, durch den eine Reduktionszone in der Brennkammer 20 gebildet wird. Außerdem werden durch diesen Wirbel die Schwingungen der Flamme gebrochen, so daß die Betriebsgeräusche des Brenners 1 vor allem bei einem Kaltstart in einem erheblichen Maße gemindert werden.

16. März 19i
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Claims

1. Brenner zur stochiometrischen Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen, bestehend aus einer Zerstäuberdüse, der über eine Brennstoffleitung der Brennstoff zuführbar ist, einer die Zerstäuberdüse umgebenden Luftzuführungsleitung für die von einem Ventilator oder dgl. der Zerstäuberdüse zuzuführenden Verbrennungsluft und einer durch ein in einen Kesselraum ragendes Brennerrohr gebildeten Brennkammer, die mit einer Blende oder Stauscheibe versehen ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß zur Einbringung von Abgas (R) aus dem Kesselraum (2) in die Brennkammer (20) das Brennerrohr (11) in dem der Blende (21) zugekehrten Bereich mit mehreren, vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang verteilt

-liangeordneten und sich in Längsrichtung des Brennerrohres (11) erstreckenden Freisparungen (31) versehen ist.

2. Brenner nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Freisparungen (31) des Brennerrohres (11) in ihrer Größe derart ausgebildet sind, daß die Summe der von dem Abgas durchströmten Querschnittsflächen der Freisparungen (31) etwa der Querschnittsfläche der Blendenöffnung (21) entspricht.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß bei einem Brennerrohr (11) mit einer nach außen in Richtung der Brennkammeröffnung (23) vorstehend geneigt verlaufenden Blende (21) die Freisparungen (31) in einem Bereich (b) in das Brennerrohr (11) eingearbeitet sind, der durch den Anschluß der Blende (21) an das Brennerrohr (11) und einem Abstand (a) von der Blendenöffnung (23), der gleich oder kleiner ist als deren zweifacher Durchmesser (d), bestimmt ist.

4. Brenner nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß bei einem Brenner (I¹') mit einer senkrecht zu dessen Längsachse (A) angeordneten Blende (21¹) die Freisparungen (31¹) in einem Bereich (b¹) in das Brennerrohr (11) eingearbeitet sind, der sich in Abständen (a₁, a_?) von etwa

zwei Drittel bis etwa bis zum Zweifachen des Durchmessers (d¹) der Blendenöffnung (22') zu dieser erstreckt.

5. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Freisparungen (31, 31') als Längsschlitze (32, 32') ausgebildet und parallel zur Längsachse (A) des Brennerrohres (11) oder geneigt zu dieser verlaufend angeordnet sind .

6. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet,

daß die in das Brennerrohr (11) eingearbeiteten Freisparungen (31) jeweils eine Länge (1) aufweisen, die etwa dem Durchmesser (d) der Blendenöffnung (22) entspricht.

7. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Brennerrohr (11) im vorderen Bereich der Brennkammer (20) mit einer in diese ragenden vorzugsweise umlaufend ausgebildeten Einschnürung (41) versehen ist.

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8. Brenner nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Einschnürung (41) in einem Abstand (s) vor der Brennkammeröffnung (23) angeordnet ist, der etwa 1/3 der Länge (1) der Brennkammer (20) entspricht.

9. Brenner nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,

daß die Einschnürung (41) des Brennerrohres (11) durch eine in dieses eingerollte Sicke (42) oder durch ein in diesem angeordnetes Einsatzstück gebildet ist.

10. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Einschnürung (41) in dem in die Brennkammer (20) ragenden Bereich einen dreieckförmigen Querschnitt aufweist.

11. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprücvhe 7 bis 10,

dadurch gekennzeichnet,

daß einer oder beide Übergänge (43) zwischen der Einschnürung (4) und dem Brennerrohr (11) konkav gekrümmt ausgebildet sind.

12. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Spitze (43) der Einschnürung (41) konvex gekrümmt ausgebildet ist.

13. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 12,"

dadurch gekennzeichnet,

daß die Höhe (h) der Einschnürung (41) mindestens etwa der Wandstärke des Brennerrohres (11) entspricht.

14. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Brennerrohr (11) und die Blendenöffnung (d) in ihren Durchmessern (D, d) derart bemessen sind, daß sich deren Querschnittsflächen etwa wie 10 : 1 verhalten

16. März 19!
A 2496 e-1