EP0078526A1

EP0078526A1 - Flachflammen-Gasbrenner

Info

Publication number: EP0078526A1
Application number: EP82110031A
Authority: EP
Inventors: László Márai; János Dipl.-Ing. Majoros; István Szigeti; Ferenc Rácz
Original assignee: Tuezelestechnikai Kutato Es Fejleszto Vallalat; TUZELESTECHNIKAI KUTATOINTEZET
Current assignee: TUEZELESTECHNIKAI KUTATO ES FEJLESZTOE VALLALAT
Priority date: 1981-11-02
Filing date: 1982-10-29
Publication date: 1983-05-11
Also published as: HU186436B; ATE13939T1; EP0078526B1; DE3264306D1

Abstract

Flachflammen-Gasbrenner, vor allem zur Heizung von industriellen Öfen, der im breiten Leistungsbereich ohne Gefahr des Flammenabrisses bzw. des Zurückbrennens regelbar ist und auch bei geringer Leistung und mit Luftvorwärmung auf hohe Temperatur eine flache Flamme erbringt. Der Gasbrenner weist einen Luftzuführkanal (3) mit einem Drallgeber (5), ein Gaszuführrohr (3) und einen Brennerstein (2) auf, in dessen seinen Innenraum begrenzende Innenfläche (8) im Winkel zu der Brennerachse spiralförmig nach außen verlaufende Vormischnuten (9) eingearbeitet sind, in welche auf dem Kopfteil des mit dem Brennerstein (2) achsgleichen Gaszufuhrrohres (3) radial und axial zur Brennerachse geneigt angeordnete Gasdüsen (14) gerichtet sind, die vorzugsweise in die Vormischnuten (9) hineinragen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flachflammen-Gasbrenner, insbesondere für Industrieöfen, der in einem breiten Leistungsbereich ohne Gefahr des Auswanderns bzw. Zurückbrennens der Flamme regelbar ist und auch bei geringer Leistung auch bei Luftvorwärmung auf hohe Temperatur eine flache Flamme ergibt.
Aus der Literatur und Praxis können zwei grundsätzliche Typen von Flachflammen-Gasbrennern unterschieden werden:
Bei dem einen Typ werden in der Flamme des Brenners in der Strömungsrichtung des Gases und/oder der Luft Ablenkelemente aus unterschiedlichen Stoffen angeordnet, die eine flache Flamme der gewünschten Größe und Art erzeugen.
Die bekannteste Lösung ist der Brenner des üblichen Haushaltsgasherds, bei dem eine an der Innenseite gerippte Ablenkscheibe aus Gußeisen auf dem Brennergehäuse aufsitzt und an dem Außenrand eine radiale flache Flamme bildet.
Die AT-A- 334 020 beschreibt einen zum Verbrennen aller bennbaren Gase geeigneten selbstregelnden Brenner, der ein auf den die Verteilungskammer des Gas-Luftgemischs umgebenden Brennerkopf angeordnetes Ablenkelement aufweist. Die äußere Fläche des mit vertikalen Spalten versehenen Brennerkopfes verengt sich konzentrisch nach oben und seine innere Fläche erweitert sich und bestimmt die Strömungsrichtung des Gases. An dem dem Ablenkelement benachbarten Teil des Gehäuses befindet sich eine ringförmige gestufte Ausnehmung, die mit dem Ablenkelement auf dem Gehäuse eine U-förmige Nut bildet. Der untere Teil der Ablenkplatte ist teils zu deren Festlegung, teils zur Formung der Flamme stufenförmig ausgebildet. Das aus den Spalten ausströmende Gas bildet eine aus radialen Flammen bestehende Flammenreihe.
Die DE-B-1 914 615 beschreibt einen zum Verbrennen aller brennbaren Gase geeigneten Brenner, der vor allem für Warmwasserbereiter vorgesehen ist, z.B. für Badezimmerboiler geeignet ist. Der Brennerkopf weist eine sich trichterförmig erweiternde äußere Wand und ein Ablenkgegenstück auf, so daß zwischen der äußeren Wand und dem Gegenstück ein kreisringförmiger Spalt ausgebildet ist und der Einströmquerschnitt mindestens so groß ist wie der Austrittsquerschnitt des Ringspaltes. Dieser Brennerkopf ist auf einem Rohr befestigt, durch welches das aus dem Brenngas und der von diesem mitgerissenen Luft bestehende Gemisch zugeführt wird. Der öffnungswinkel des durch den Trichter und das Gegenstück begrenzten Raumes bestimmt.den Kegelwinkel-der entstehenden Flamme.
Die gemeinsamen Nachteile der oben beschriebenen Flachbrenner mit Ablenkelement sind die geringe Leistung und die sich daraus ergebende kleine Flammengröße, die Betriebsunzuverlässigkeit und der kleine Bereich der Regelbarkeit.
Der Beseitigung der Nachteile dienen die Druckgasbrenner, bei denen die flache Flamme durch eine bestimmte Strömungsrichtung der Brennluft, die in großer Menge mit Drall zugeführt wird, mit Hilfe eines im Wege der Strömung der Luft oder des Brenngemisches angeordneten Ablenkelementes ausgebildet wird.
Ein bekannter derartiger Brenner arbeitet mit Rauchgasrückmischung. Die Brennluft wird mittels eines an dem Gaszuführrohr angeordneten spiralförmigen Leitelementes in Drehung versetzt und strömt durch einen Austrittsspalt, der von einem keramischen Strahler, der mit seinem einen Ende auf das Luftrohr paßt und am anderen Ende sich trichterartig erweitert, und von einem am äußeren Teil ebenfalls trichterförmigen Gegenstückk begrenzt ist, in den Brennraum. Das Gas gelangt durch in einem Einsatz senkrecht zu der Strömungsrichtung der Luft ausgerichtete Kanäle in den Luftstrom und bildet mit diesem das Brenngemisch. Der keramische Strahler und der Einsatz zwingen das Brenngemisch zu einer solchen Strömung, daß sich eine flache Flamme bildet. Im Raum zwischen der Feuerungswand und dem keramischen Strahler strömt das zurückgeführte Rauchgas, das durch zu der Achsrichtung des keramischen Strahlers parallele Bohrungen in dem Brennerraum strömt.
In der Mittellinie eines anderen Brenners ist ein Ablenkteller angeordnet, der auf ein Tragrohr montiert ist, welches gleichzeitig das Gaszuführrohr ist. Auf dem Auffangansatz des Ablenktellers befindet sich ein gerippter, den Strömungsquerschnitt verengender Einsatz, der zwischen je zwei Rippen eingeschlossene Gaszuführbohrungen mit zu der Brennerachse parallelen Achsen aufweist. Die Luft und das Brenngemisch strömen parallel zu der Achse des Brenners und bilden eine in ihrer geometrischen Form durch den Ablenkteller bestimmte Flamme.
Der grundsätzliche Nachteil dieser Vormischungsbrenner ist teils, daß die Flamme bei kleiner Leistung ins Innere des Brenners zurückbrennt und die inneren Strukturelemente durchbrennt, und teils, daß die Verbrennung schon auf dem Ablenkelement einsetzt, was - wie durch die Praxis eindeutig bewiesen - zur Beschädigung und schließlich zum Durchbrennen der Ablenkelemente führt.
Die GB-A-1 349 539 beschreibt einen Brenner, der zur Ausbildung unterschiedlicher Flammenformen geeignet ist, abhängig davon, wie die Ausgestaltung seines Brennersteines oder seiner Feuerungswand ist. Es ist auch möglich, eine flache Flamme auszubilden, wenn sich der Brennerstein bogenförmig verbreitert oder wenn sich die Austrittskanäle des Brennerkopfes vor einer ebenen Feuerungswand befinden. Der Brennerkopf selbst weist konzentrisch ineinander angeordnete Rohre auf. Die Luft strömt durch das an seinem Ende sich trichterförmig erweiternde innere Rohr und das Gas durch das dieses umgebende Rohr. Das Gas tritt aus dem durch die beiden Rohre begrenzten ringförmigen Spalt aus. Die sich trichterförmig erweiternde Fläche des Luftzuführrohres wirkt mit einem kegelförmig ausgebildeten Einsatzelement zusammen, auf dessen Fläche bogenförmige Kanäle ausgebildet sind. Die kegelförmige Fläche des Einsatzelementes reicht in der Achsrichtung über den trichterförmigen Teil des Luftrohres hinaus. Die Luft wird wegen der Wirkung der Zwangsbahn in Drehung versetzt und vermischt sich nach dem Austritt aus dem Brennerkopf mit dem parallel zur Achse des Brennerkopfes ausströmenden Gas.
Der grundsätzliche Nachteil dieser Ausführungsform ist es, daß sich die aus dem Brennerkopf ausströmende Luft erst später außerhalb des Brenners im Brennraum mit dem Gas vermischt und die Zündung - vor allem bei herrschendem überdruck - problematisch ist.
Bei dem anderen Typ der Flachbrenner wird die Eigenschaft der in Drehung versetzten Luft ausgenutzt, daß sie wegen ihrer Trägheit bestrebt ist, der Geometrie des Brennersteines zu-iolgen, und so entsteht bei genügendem Drall und entsprechender Ausgestaltung des Brennersteines eine flache Flamme. Die HU-A- 176 169 beschreibt einen solchen eine tellerförmige Flamme in der zur Brennerachse senkrechten Ebene erzeugenden Gasbrenner, der eine derartige Rauchgasströmung sicherstellt, daß die überhitzung der temperaturempfindlichen Strukturteile in der Umgebung des Brenners vermieden wird. Dieser Gasbrenner weist einen in dem Gehäuse angeordneten Einsatz, einen Luftraum zwischen dem Gehäuse und dem Einsatz, mindestens zwei im Einsatz ausgebildete, tangential angeordnete öffnungsreihen, um die Brennluft in Drehung zu versetzen, einen im Einsatz ausgebildeten Vormischraum und mindestens drei in den Vormischraum und/oder an die von der Brennermündung weiter entfernt liegende öffnungsreihe führende Gasdüse auf. Der bekannte Gasbrenner mit tellerförmiger Flamme ist also ein Vormischbrenner, der die Gesamtmenge der Brennluft in zwei Stufen erhält.
Da im inneren Teil des Brennersteines bereits ein brennbares Gas-Luftgemisch vorliegt, beginnt die Verbrennung bereits hier und bei kleinen Leistungen findet sogar der gesamte Verbrennungsvorgang hier statt, so daß die inneren Strukturelemente des Brenners schnell zerstört werden.
Die HU-A- 156 345 beschreibt einen Brenner hoher Temperatur mit radial ausgedehnter Flamme, der der Zuführung des Brenngases und der Luft dienende koaxiale Rohre aufweist, die sich an ihren Austrittsenden trichterförmig erweitern. Der der Zuführung der Luft dienende trichterförmige Teil ist mit öffnungen und mit einem sich trichterförmig erweiternden Brennkanal versehen, an dessen Innenfläche das sich intensiv in Drehung befindende Brenngas strömt, wodurch die axial zur Brennerachse verlaufende Strömung in eine radiale Strömung umgewandelt wird. Die erwähnten öffnungen sind mindestens in drei Reihen angeordnet und der Abstand zwischen den dem zylindrischen Teil des Luftzuführrohres nächstliegenden Kanten der öffnungen und den ihm fernstliegenden Kanten der öffnungen beträgt mindestens 1/3 des inneren Durchmessers des Brennkanals. Ferner liegen die Austrittsenden der Rohre in zwei Ebenen und der Abstand zwischen diesen beiden Ebenen beträgt mindestens die Hälfte, aber höchstens das fünffache des Innendurchmessers des _Brennkanals.
Die durch die örtlich verteilte Zuführung des Brennstoffes und der Luft auftretenden Druckverluste verringern sich während der Vermischung und auch die Ausströmgeschwindigkeit der brennenden Gase vermindert sich, so daß die radiale Ausdehnung der Flamme wächst. Der grundsätzliche Nachteil dieses Brenners besteht darin, daß der brennende Teil der Flamme bei kleiner Leistung zurückbrennt, weil sich im kegelförmig ausgebildeten Kopfteil des Luftzuführrohres bereits eine Gas-Luftmischung befindet, und die inneren Strukturelemente durchbrennen.
Es werden auch Brenner derartiger Ausgestaltung weitverbreitet verwendet, bei denen das Luftzuführrohr sich verengt und die in der Umgebung der Gaszuführung am Vorderteil des in der Mitte angeordneten Gaszuführrohres eine ebene Mauerung aufweisen. Um die Luft in eine Drallströmung zu bringen, wird diese tangential zugeführt und/oder ist auf dem Gaszufuhrrohr ein spiralförmiger Drallgeber angeordnet. Der Unterschied zwischen diesen Brennern liegt in der Ausgestaltung und Anordnung der Gaszuführdüsen und -bohrungen. Ihre gemeinsame Eigenschaft liegt darin, daß die Einströmrichtung des Gases senkrecht zur Strömungsrichtung der Luft verläuft, d.i. daß die Achsen der Düsen und Bohrungen senkrecht zu der Achse des Brenners ausgerichtet ist.
Am Vorderteil des Gaszuführrohres eines derartigen Brenners befinden sich zwei in seiner Mantelfläche ausgebildete Bohrungsreihen. Die Achse der Bohrungen bildet mit der Radialrichtung des Gaszuführrohres einen Winkel, so daß das Gas ebenfalls einen kleinen Drall erhält.
Bei einer Weiterentwicklung dieses Brenners sind an dem Gaszuführrohr nicht nur Bohrungen, sondern auch ovale Schlitze ausgebildet. Die ovalen Schlitze sind so angeordnet, daß einmal ihre große Achse und einmal ihre kleine Achse parallel zu der Achse des Brenners ist. Bei einem anderen derartigen Brenner sind im Kopfteil des Gaszuführrohres Düsen angeordnet. Die Düsen sind in drei Reihen in einer zu der Längsachse senkrechten Ebene angeordnet und die Reihen sind im Winkel zueinander versetzt. Die Düsen sind unter einem Winkel angestellt, damit das Gas etwas in Drall versetzt wird.
Bei einem anderen Brenner dieser Art sind in einem Winkel angestellte längere und kürzere Düsen in zwei Reihen angeordnet. Die kürzeren Düsen haben einen größeren Durchmesser und die längeren Düsen einen kleineren Durchmesser.
Ferner ist ein Flachbrenner bekannt, der in einer Reihe Düsen mit zu der Brennerachse senkrechter Achse aufweist. Die Düsen sind in radialer Richtung angeordnet, jedoch ist jedes Düsenende mittels eines Formkörpers mit zur Strömungsrichtung Luft im spitzen Winkel angestellter Achse abgeschirmt, wobei die bogenförmige Mantelfläche des Formkörpers in der Strömungsrichtung der Luft gesehen näher an der Achse des Brenners liegt.
Der gemeinsame Nachteil derartiger Brenner liegt darin, daß das aus dem Gaszuführrohr durch Düsen oder Bohrungen ausströmende Gas senkrecht zur Achse des Gaszuführrohres strömt und mit der in Drehung versetzten strömenden Luft in Berührung kommt. Die Gemischbildung läuft sehr schnell ab und die Verbrennung beginnt bereits am Ende des Gaszuführrohres. Bei kleinen Leistungen, wenn die Geschwindigkeit der Strömung gering ist, zieht sich die Flamme in den hinteren Teil des Brennersteines hinein und verbrennt die sich dort befindenden Strukturelemente (Gaszuführrohr, Drallgeber usw.).
Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, einen Flachflammen-Gasbrenner zu schaffen, der ohne Ablenk-Stauelemente eine flache Flamme bei im Brennerstein erfolgenden, jedoch verzögerten Vormischen und hinausgezögertem Brennbeginn derart erzeugt, daß weder die Neuzündung noch das Zurückwandern der Flamme Betriebsprobleme bzw. strukturelle Beschädigungen selbst nicht im Falle einer Luftvorwärmung auf hohe Temperatur verursachen.
Durch die Erfindung ist ein Flachflammen-Gasbrenner geschaffen, der einen Luftzuführkanal, einen Drallgeber für die Luft, ein Gaszuführrohr und im Winkel zu der Brennerachse auf der den Innenraum des Brennersteins umgrenzenden.Innenfläche desselben ausgebildete Vormischnuten und an dem Kopfteil des achsgleich mit dem Brennerstein angeordneten Gaszuführrohres sitzende, radial und axial schräg zur Brennerachse nach außen ausgerichtete, vorzugsweise in die Vormischnuten hineinragende Düsen aufweist.
Die im folgenden als Beispiel angegebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flachflammen-Gasbrenners wird mit Hilfe der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 den Längsschnitt des Brenners,
Fig. 2 den Schnitt des Gaszuführrohres mit den Düsen entlang der Schnittlinie A-A in Fig. 3 und
Fig. 3 die Vorderansicht des Gaszuführrohres mit den Düsen.

Im Brennergehäuse 1 sind der Brennerstein 2 und achsgleich mit diesem das Gaszuführrohr 3 angeordnet, welches zugleich als Träger der Gasdüsen 14 dient. Rings des Gaszuführrohres 3 sind radial von innen nach außen ein ringförmiger innerer Luftzuführkanal 4, ein Drallgeber 5 und ein diesen ringförmig umgebender äußerer Luftraum 6 ausgebildet. Der Zentrierung des Gaszuführrohres 3 dient der hintere Verschlußdeckel 7, der auch eine Isolierfunktion versieht.
In die sich diffusorartig erweiternde, als axial gekrümmte Rotationsfläche ausgebildete Innenfläche 8 des Brennersteines 2, die dessen Innenraum umgrenzt, sind eine Mehrzahl von Vormischnuten 9 in gleichmäßiger Verteilung und in von der Größe und Leistung des Brenners abhängiger Anzahl eingearbeitet.
Die Vormischnuten 9, deren Querschnitt vorzugsweise rechteckig ist, erstrecken sich von der inneren Stirnseite 10 des Brennersteins 2 aus vorzugsweise spiralförmig derart, daß das äußere offene Nutende auf der Mantelfläche 12 des Brennersteins 2 liegt. Der Querschnitt der Vormischnuten 9 ist über ihre Länge hin vorzugsweise konstant; er kann sich jedoch auch nach außen hin vergrößern. Ihre Mittellinien schließen mit der Achse des Brenners und mit der inneren Stirnseite 10 des Brennersteins 2 jeweils einen Winkel ein, deren Größe von der Leistung und dem Durchmesser der Flamme und der Ausbildung des Brenners abhängig ist..Diese Winkel betragen vorzugsweise jeweils 45°. Die Vormischnuten 9 münden auf der inneren Stirnseite 10 des Brennersteins 2 und sind dort derart ausgestaltet, daß die Tiefe der Nuten 9 annähernd gleich groß wie die Weite des ringförmigen inneren Luftzuführkanals 4 ist. Der kleinste Durchmesser der Innenfläche 8 des Brennersteins 2 an dessen inneren Stirnseite 10 ist wenigstens annähernd gleich zu dem Außendurchmesser des Gaszuführrohres 3. Die mittels des Drallgebers 5 dadurch in Drehung versetzte Luft, daß die den äußeren Luftraum 6 und den inneren Luftzuführkanal 4 verbindenden Durchlaßkanäle 17 etwa tangential zu der von der Innenfläche des Drallgebers 5 umgrenzten Außenumfangsfläche des Luftzuführkanals 4 ausgerichtet sind, strömt durch den ganzen Einströmquerschnitt der Vormischnuten 9, und in eine andere Richtung kann nur eine ganz geringe Luftmenge strömen. Hierzu erstreckt sich das Gaszuführrohr 3 über die innere Stirnseite 10 des Brennersteins etwas hinaus und verschließt fast den gesamten inneren Mündungsrand der Innenfläche 8 des Brennersteins 2 zwischen den Einströmquerschnitten der Vormischnuten 9. Der das Außenende des Gaszuführrohres 3 abschließende Kopfteil 13 desselben weist am Außenumfang seines Stirnendes eine kegelstumpfförmig verlaufende-Ringschülter auf, auf welcher die als Rohrstücke ausgebildeten Gasdüsen 14 in der Anzahl und Verteilung der Vormischnuten 9 sitzen. Die Gasdüsen 14 sind gleichsinnig sowohl zur Brennerachse in einem Winkel ß (_Fig. 2), als auch zu der jeweiligen, ihre Düsenachse am Düsenfuß schneidenden Radiallinie durch die Brennerachse in einem Winkel α (Fig. 3) geneigt angestellt und daher schräg nach außen ausgerichtet, so daß sie in die Vormischnuten 9 hineingerichtet sind. Die Achse der Düsen 14 ist vorzugsweise parallel zu der Mittellinie der jeweils zugeordneten Vor- .mischnut 9 an deren Eintrittsende oder sie schließt einen kleinen Winkel damit ein. Der Winkel α beträgt daher vorzugsweise ebenfalls α=45°. Das Ausmaß der Vormischung von Luft und Brenngas ist abhängig von dem Neigungswinkel β zu der Achse des Gaszuführrohres, der vorzugsweise ebenfalls β=45° beträgt. Durch die Änderung der Werte der.Winkel α und β und der Länge der Düsen 14 können die Brennparameter innerhalb des Anwendungsbereichs des Brenners im breiten Maße beeinflußt werden. Beispielsweise verläuft bei in die Eintrittsmündung der Nuten 9 hineinragenden Düsen 14, die in der jeweiligen Mittellinie der Nuten 9 liegen, der Mischungsvorgang verzögert ab, der Beginn der Verbrennung zieht sich hinaus und es ergibt sich eine weiche Flamme von größerem Durchmesser.
Auch durch die Änderung der Position des die Anordnung der Düsen 14 im Verhältnis zu den Vormischnuten 9 bestimmenden.Gaszuführrohres 3 kann das Flammenbild beeinflußt werden. So erstrecken sich die Düsen 14 nicht in jedem Fall in die Vormischnuten 9 hinein. Die Zündung und Neuzündung in der Achse des Brenners erfolgt mittels des in dem Gaszuführrohr 3 konzentrisch angeordneten Zündungsbrenners 15. Zur Verbesserung der Zündzuverlässigkeit und der Flammenstabilität können im Kopfteil 13 des Gaszuführrohres 3 in dessen Stirnwand radial innerhalb der die Düsen 14 aufweisenden Ringschulter desselben enge axiale Bohrungen 16 ausgebildet sein, durch die eine geringe Menge von Brenngas axial ausströmt, das mit dem geringen Anteil der außerhalb der Vormischnuten 9 ausströmenden Luft vermischt wird und eine stabilisierende Wirkung für die Flamme erbringt.
Zur Luftversorgung des Brenners dient die von einer Druckluftquelle kommende, in den äußeren Luftraum 6 mündende Luftleitung 18, und zur Gasversorgung dient die von der Brenngasquelle kommende Gasleitung 19, die in das Gaszuführrohr 3 mündet. Der Drehsinn der mittels des Drallgebers 5 erzeugten Drallströmung der Luft stimmt vorzugsweise mit dem Krümmungssinn der Nuten 9 an deren Eintrittsende überein.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades wird es bevorzugt, die Brennluft vorzuwärmen. Der Brenner arbeitet auch bei hoher Brennlufttemperatur betriebssicher.
Der erfindungsgemäße Flachflammen-Gasbrenner ist vorzugsweise zur Aufheizung geschlossener Räume, als Gewölbebrenner von öfen und dergleichen anwendbar.

Claims

1. Flachflammen-Gasbrenner, der einen Brennerstein (2) mit sich diffusorartig erweiterndem Innenraum, einen Luftzuführkanal (4) mit einem Drallgeber (5) und ein koaxial in dem Luftzuführkanal (4) angeordnetes, mit diesem in den Innenraum des Brennersteins (2) mündendes Gaszuführrohr (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß an der den Inneraum des Brennersteins (2) umgrenzenden Innenfläche (8) desselben spiralförmig zur Außenmündung des Brennersteines (2) im Winkel zur Brennerachse verlaufende Vormischnuten (9) ausgebildet sind, in die der Luftzuführkanal (4) mündet, und daß den Vormischnuten (9) am Kopfteil (13) des Gaszuführrohres (3) sitzende Gasdüsen (14) zugeordnet sind, die - vorzugsweise in die Vormischnuten hineinragend - radial und axial schräg zur Brennerachse nach außen ausgerichtet in die Vormischnuten (9) hineingerichtet sind.

2. Flachflammen-Gasbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormischnuten (9) einen über ihre gesamte Länge hin gleichbleibenden Querschnitt haben oder sich in Richtung nach außen erweitern.