EP0158045A2

EP0158045A2 - Leistungsveränderbare Brennereinrichtung für einen gasförmigen Brennstoff

Info

Publication number: EP0158045A2
Application number: EP85101655A
Authority: EP
Inventors: Johannes Wilhelmus Graat
Original assignee: Smit Ovens BV; Smit Ovens Nijmegen BV
Current assignee: Smit Ovens BV
Priority date: 1984-02-29
Filing date: 1985-02-15
Publication date: 1985-10-16
Also published as: EP0158045A3; DE3407343C2; EP0158045B1; DE3570738D1; ATE43701T1; DE3407343A1

Abstract

Brennereinrichtung für einen gasförmigen Brennstoff, mit einer Brennstoff- und einer Luftzufuhrleitung (16, 38; 8), die beide im Bereich einer von einer Wandung umschlossenen Brennstoff-Luft-Mischzone (14) enden. Bei der Brennereinrichtung sind die Luft- und die Brennstoffzufuhr in die Mischzone gleichzeitig über querschnittsveränderbare Kanäle (28; 20) mittels einer entlang der Längsachse verstellbaren schieberartigen Vorrichtung (22) entsprechend der erforderlichen Brennerleistung in einem festliegenden Brennstoff-Luft-Verhältnis veränderbar. Die Gaszufuhr ist mittels eines Schließkegels (21) verstellbar; der durch eine Verstellöffnung (20) einer in die Gaszufuhrleitung eingebauten Blendenwand (17) ragt. Mittels eines mit dem Schließkegel (21) verbundenen Dosenteils (25) sind gleichzeitig die Luftzuführkanäle (28) der Wandung (18) der Mischzone (14) querschnittsveränderbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennereinrichtung für einen gasförmigen Brennstoff mit einer Brennstoff- und einer Luftzufuhrleitung, die beide im Bereich einer von einer Wandung umschlossenen Brennstoff-Luft-Mischzone enden, bei welcher Brennereinrichtung die Brennstoff- und die Luftzufuhr in die Mischzone gleichzeitig über querschnittsveränderbare Kanäle mittels einer entlang.der Längsachse verstellbaren Vorrichtung entsprechend der erforderlichen Brennerleistung in einem festliegenden Brennstoff-Lüft-Verhältnis veränderbar sind,
nämlich

- die Gaszufuhr mittels eines verschiebbaren Schließkegels, der durch eine Verstellöffnung der Brennstoffzufuhrleitung ragt, und
- die Luftzufuhr mittels eines mit dem Schließkegel zusammenwirkenden weiteren verschiebbaren Organs.

Aus der US-A 1 350 051 ist ein Gasbrenner bekannt, bei dem die Gas- und die Luftzufuhr in eine Gas-Luft-Mischzone, an die sich der eigentliche Flammbereich sofort anschließt, veränderbar ist. Die Veränderbarkeit wird durch eine spindelartige Vorrichtung ermöglicht, die an ihrer Außenseite Schieber trägt, die die hintereinander geschalteten Gas- und Luftzuführungsleitungen, die jeweils peripher an einem Tubus enden, durch gleitendes Abschieben öffnen oder schließen. Dabei wird gleichzeitig die Gas- und die Luftzufuhr in einem eingestellten Verhältnis geändert. Zusätzlich sind am Ende der eigentlichen Brennkammer noch Sekundär-Luftzuführungen vorgesehen.
Bei dem Betrieb von Brennern für gasförmige Brennstoffe stellt sich allgemein die Aufgabe, über den vorgesehenen Lastbereich möglichst eine stöchiometrische Verbrennung aufrecht zu erhalten, gleichzeitig für eine gute Durchmischung der ankommenden Brennstoff- und Luftmengen zu sorgen und einen gefahrlosen Betrieb zu gewährleisten. Bei dem bekannten Brenner ist nachteilig, daß die Gaszuführung relativ schlecht zu dosieren ist, da der Querschnitt der peripher ankommenden Gaszufuhrleitung schon bei einer kleinen Verstellstrecke relativ stark verändert wird. Es ist dabei nicht ohne weiteres möglich, die Zuführkanäle beliebig groß zu machen, da das ankommende Gas im allgemeinen unter einem Überdruck von 3 - 10 bar steht und daher für eine bestimmte Leistung des Gasbrenners auch der Querschnitt der zu verstellenden Leitung nur ein relativ kleines Maximum haben darf. Bei dem bekannten Brenner ist daher eine mit einem relativ feinen Gewinde versehene Spindel zur Verstellung der Gas-Luftzufuhr vorgesehen. Das bekannte Konstruktionsprinzip ist nicht ohne weiteres übertragbar auf eine Brennereinrichtung, die mit einem Servo-Motor arbeitet, auch wenn in Figur 3 der bekannten Einrichtung ein anderer Steuermechanismus dargestellt ist, der möglicherweise ähnlich von einem Servo-Stellmotor übernommen werden kann.
Weiterhin ist eine Brennereinrichtung der eingangs genannten Art aus der DE-A 1 551 803 bekannt. Die gemeinsame Steuerung der Ausströmquerschnitte von Luft und Brennstoff wird durch eine bewegliche Schwinge vorgenommen, welche zwei Steuerschlitten in axialer Richtung verschiebt. Der eine Steuerschlitten steuert durch Verschiebung einer in einer kegelförmig zulaufenden Luftzuleitung liegenden Scheibe den Ausströmquerschnitt der Luft und der andere Schlitten durch Verschieben eines Kegels in der Brennst-offzufuhrleitung den Gasaustrittsquerschnitt.
Nachteilig bei der vorgenannten Brennereinrichtung ist, daß die gemeinsame Verstellbarkeit über in Langlöchern der Schwinge geführte Zapfen, über Kurvenscheiben sowie über Hebelführungen erfolgt. Damit ist ein relativ komplizierter und verschleißanfälliger Mechanismus verwendet worden, der nach kurzer Betriebszeit ungenau arbeiten wird.
Es stellt sich die Aufgabe, die Brennereinrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß bei einer verschleißarmen Bauweise eine sehr genau einstellbare und auch für längere Standzeiten ihre Einstellwerte beibehaltende Brennstoff- und Luftzufuhr erreichbar ist, auch wenn das Brenngas unter einem hohen Druck in die Brennereinrichtung einströmt und dieser Druck sich bis in die Mischkammer ohne Drosselung fortsetzt.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei einer Brennereinrichtung gemäß Erfindung, bei der

a) der Schließkegels starr mit einem ihm umgebenen zylindrischen Dosenteil als weiterem Organ verbunden ist, dessen eine Seite den Brennstoff-Strom von der Brennstoff-Zufuhrleitung aufnimmt und dessen andere Seite mit einem Brennstoff-Durchlaß versehen ist,
b) bei dem die die Brennstoff-Luft-Mischzone umgebende Wandung zylindrisch oder quasi-zylindrisch ist, und in ihr die Kanäle für die Luftzufuhr eingelassen sind,
c) und bei der der Dosenteil innerhalb der Wandung gleitet.

Bei der Brennereinrichtung gemäß Erfindung ist eine zentrisch um die Verstellachse angeordnete Brennstoffleitung vorgesehen, in die vorzugsweise eine mit einer Öffnung versehene Blendenwand eingebaut ist, die mit Hilfe eines sehr flachwinkeligen Kegels verstellbar ist. Der Öffnungswinkel des Kegels liegt zwischen 1 und 15 (Altgrad), wobei die Kegelsteigung vorzugsweise konstant ist. Es ist jedoch auch denkbar, daß die Kegelwandung abweichend davon an der Spitze mit einem großen und/oder am Ende mit einem kleineren, gegebenenfalls bis zu Null herabgesetzten Öffnungswinkel ausgestattet ist. Der Kegel selbst kann relativ lang sein, so daß über eine relativ lange Verstellstrecke eine sehr feinfühlige und sich nur langsam verstellende Querschnittsveränderung möglich ist. Dieses Prinzip eignet sich daher besonders für die Anwendung von Servomotoren.
Aus der DE-A 31 13 511 ist eine Brennereinrichtung bekannt, bei der die Luftzuführung über eine Luftzufuhrleitung erfolgt, die über drallerzeugende Vorrichtungen eine Verbindung zwischen dem Ende der Luftzufuhrleitung und der Mischzone herstellt. Die drallerzeugenden Vorrichtungen sind gleichzeitig als querschnittsveränderbare Kanäle gestaltet. Dieses Prinzip läßt sich mit Vorteil auch bei der vorliegenden Brennereinrichtung verwenden, wenn die querschnittsveränderbare Luftzufuhrleitung an der Peripherie der Mischzone endet.
Gemäß eines Merkmales der Erfindung sind in die die Brennstoff-Luft-Mischzone umgebende Wandung querschnittsveränderbare, drallerzeugende Luftkanäle eingelassen, die die Verbindung zwischen dem Ende der Luftzufuhrleitung und der Brennstoff-Luft-Mischzone bilden. Es handelt sich hierbei um tangential in die Wandung eingeschnittene runde oder eckige Kanäle, wie sie im Prinzip aus der genannten DE-OS 31 13 511 bekannt sind.
Weitere Merkmale der Unteransprüche sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:

Figur 1 a einen Querschnitt durch eine Brennereinrichtung gemäß Erfindung in einer niedrigen Laststufe;
Figur 1 b die Brennereinrichtung gemäß Figur 1 in Vollaststufe;
Figur 2 die verstellbare Blendeneinrichtung in vergrößerter Darstellung und
Figur 3 eine andere Gestaltung des Schließkegels.

Für die Brennereinrichtung ist als Brennstoff in erster Linie Erdgas oder ein verwandtes Gas vorgesehen. Es eignen sich jedoch auch reine Gase, wie Methan, Propan oder Butan sowie Stadtgas. Nicht auszuschließen ist auch die Verwendung eines Kohlenstaub-Luft- oder Öl-LuftGemisches.
Das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich allerdings auf einen Gasbrenner.
In den Figuren 1 a und 1 b ist im Querschnitt eine Brennereinrichtung gezeigt, wie sie beispielsweise bei der Verbrennung von Erdgas in einem Kessel für ein Mehrfamilienhaus in der Größenordnung 100.000 kcal/h verwendet werden kann. Die Brennereinrichtung, allgemein mit 1 bezeichnet, schließt sich hierbei an eine Kesselwand 2 an. Die Brennereinrichtung weist ein dreiteiliges Gehäuse 3 auf. Das Gehäuse 3 zerfällt in folgende Teile: ein sich auf die Kesselwand 2 im Inneren abstützendes Kopfteil 31, ein gestrecktes Tubusteil 32 und ein das Tubusteil 32 teilweise umgebendes, sich an der Rückseite der Kesselwand 2 unmittelbar anschließendes, im wesentlichen der Luftzuführung dienendes Trommelteil 33. Die Teile 31 - 33 liegen im wesentlichen konzentrisch als Drehkörper zu dem gezeichneten Querschnitt und entlang einer Achse A.
Das Trommelteil 33 umschließt eine runde, in die Kesselwand 2 eingearbeitete Öffnung 4 mit einer runden Wandung 5, die an ihrer Rückseite durch eine mit Mittelöffnung 6 versehene Rückwand 7 abschließt. Auf die Wandung 5 des Trommelteils 33 ist ein relativ großdimensionierter, zylindrischer Stutzen 8 aufgesetzt. In die Öffnung 6 ist ferner der bereits erwähnte Tubusteil 32 fest eingesetzt. Der Tubusteil, der ebenfalls zylindrisch geformt ist, hat einen wesentlich geringeren Durchmesser als der Trommelteil 33. Der Tubusteil 32 ragt mit seinem Ende 9 aus dem Trommelteil 33 heraus und ist mit einer Rückwand 10, die mit einer Öffnung 11 versehen ist, verschlossen. Der Tubusteil 32 liegt ebenfalls konzentrisch zu der Achse A und endet kurz vor der Kesselwand-Öffnung 4 in dem Flansch 12 einer Gas-Luft-Mischkammer 13, deren Wandung 18 eine Gas-Luft-Mischzone 14 umschließt. Die Gas-Luft-Mischkammer 13 endet an ihrer Stirnseite innerhalb des Kessels in einem Flansch 15, an den sich die Wandungen des Kopfteils 31 stützend anschließen und eine Verbindung zur Kesselwand 2 herstellen.
Der Tubusteil 32 dient in erster Linie zur Gasführung. Er ist dazu an seinem überstehenden Ende 9 mit einem Gaseinleitungsstutzen 16 versehen, durch den das Brenngas, z. B. Erdgas, einströmt und im Inneren des Tubusteiles 32 bis zu einer Blendenwand 17 ungehindert strömen kann. Dabei ist in den Tubusteil 32 ein verdrehbarer Blendenzylinder 51 mit einer kreisrunden Öffnung 51' eingebaut. Blendenzylinder und Öffnung können zur Ersteinstellung der Gaszufuhr gegeneinander nach Art einer Blendeneinstellung soweit verdreht werden, daß eine gewünschte Gasmenge durch den Stutzen 16 und die Öffnung 51' in den Tubusteil 32 eintreten kann.
Wie detaillierter aus der Figur 2 hervorgeht, ist die Blendenwand 17 mit einer Verstellöffnung 20 versehen, die genau konzentrisch zur Achse A liegt und die die einzige Öffnung innerhalb der Blendenwand 17 ist. Die Öffnung 20 ist in die Blendenwand 17 etwas konisch eingeschnitten, und zwar divergierend zur Öffnung des Tubusteiles 32 hin. Die Gaszufuhr durch den Tubusteil 32 kann mit Hilfe eines einen Teil einer schieberartigen Vorrichtung bildenden Schließkegels 21 verstellt werden. Der Schließkegel 21 ist entlang der Achse A innerhalb der Verstellöffnung 20 verschiebbar, wobei je nach Stellung des Schließkegels 21 die Verstellöffnung 20 von einem Maximumquerschnitt bis zu einem Minimum bzw. bis zu einem völligen Verschluß querschnittsveränderbar ist. Das für die Erfindung wesentliche Zusammenspiel von Verstellöffnung 20 und Schließkegel 21 wird ermöglicht durch eine verstellbare Gleitstange 22, die durch den Tubusteil 32 hindurchragt und deren Ende in einem in der Rückwand 10 des Tubusteiles 32 eingebauten Gleitlager 23 beweglich ist.
An ihrer in Richtung Kessel ragenden Spitze ist die Gleitstange 22 mit einer perforierten ersten Wandscheibe 24 verschraubt, die wiederum fest mit einem zylindrischen Dosenteil 25 verbunden ist. Die Grundseite des Dosenteils 25_'ist offen und bildet damit einen Brennstoff-Durchlaß 30. Den stirnseitigen Abschluß des zylindrischen Dosenteils 25 bildet eine weitere, zweite Wandscheibe 26, die mit einer zentrischen Gas-Austrittsöffnung 27 versehen ist. Statt einer oder zusätzlich zu zentrischen Öffnungen können weitere Öffnungen in der Wandscheibe 26 vorgesehen sein.
Der Dosenteil 25 ist über die Gleitstange 22 mit dem ; Schließkegel 21 demnach starr verbunden. Der Dosenteil - 2-5 kann sich gegenüber dem-Tubusteil 32 axial bewegen. Mit den bisher beschriebenen Teilen liegt eine Brennereinrichtung 1 für einen Gasbrenner vor, die mit einer Gaszufuhrleitung versehen ist, die am Stutzen 16 beginnt, sich in den Tubusteil 32 fortsetzt, mit Hilfe der Anordnung aus Verstellöffnung 20 und Schließkegel 21 querschnittsveränderbar ist, und die in der Austrittsöffnung 27 in der Gas-Luft-Mischzone 14 endet. Die Luftzufuhrleitung beginnt mit dem Stutzen 8, setzt sich in das Innere des Trommelteiles 33 fort, führt durch die von der Gas-Luft-Mischkammer offen gelassene periphere Teilöffnung 4 in den Kopfteil 31 und von dort über tangential eingestellte, schlitzartige Luftkanäle 28 unter relativ hoher Geschwindigkeit in die Gas-Luft-Mischkammer 14 und vermischt sich dort mit dem Gas. Das Gas-Luft-Gemisch tritt aus der Öffnung 29 der Kammer 13 aus und kann mit Hilfe einer (gestrichelt dargestellten) Zündvorrichtung 40 gezündet werden.
Der die Gleitstange 22 umschließende Schließkegel 21 ist beispielsweise als Drehteil mit einem Kegelöffnungswin- kel zwischen 1 und 15 , vorzugsweise zwischen 3,5 und 5 hergestellt. Über eine Flanschverbindung 41 ist der Kegel abnehmbar verbunden mit einem Mantelrohr 42, welches. sich durch das Gleitlager 23 fortsetzt. Der durch die Öffnung 11 ragende Teil der Gleitstange 22 und dem Mantelrohr 42 wird mit Hilfe eines Servomotor-Antriebes 44 hin- und herbewegt. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, ist eine dazu auf das Mantelrohr 42 aufgesetzte Muffe 45 innerhalb einer Gleithülse 45' verschiebbar angeordnet. Ein Abschaltkontakt 46 drückt auf einen Schalter 46' und sorgt für eine Notabschaltung, falls eine bestimmte Minimalstellung des Schließkegels 21 überschritten ist. Diese Maßnahme verhindert, daß durch den Schließkegel die Verstellöffnung 20 beschädigt wird. Weiterhin ist eine Pufferfeder 47 in eine Nut der Gleithülse 45' derart eingebaut, daß bei Verstellen der Gleitstange gegen die Minimumstellung an der Feder 47 noch eine Abpufferung erfolgt. Damit ist die Gleitstange 22, die durch den Servomotor 44 angetrieben wird, im Bereich ihrer Endstellung abgefedert und abgesichert.
Weiterhin sorgt ein Luftdruckwächter 50 für eine Überwachung des Luftdruckes innerhalb des Trommelteiles 33, womit ebenfalls die Betriebssicherheit gewährleistet wird, denn bei. Abfall des Druckes wird auch die Gaszufuhr abgeschaltet.
Durch die Betätigung der Gleitstange 22 und des Schließkegels 21 wird, wie beschrieben, gleichzeitig der Dosenteil 25 vor den Luftkanälen 28 hin und her bewegt und sorgt damit für eine Querschnittsveränderung dieser Luftzuführöffnungen. Der Dosenteil 25 bildet demnach das mit dem Schließkegel verbundene weitere Organ, mit dem die Luftzuführleitungen querschnittsveränderbar sind.
Vorzugsweise ist der Schließkegel 21 als Spitze einer im Inneren des Tubusteiles beweglich angeordnete Lanze (Gleitstange 22) gestaltet. Es ist jedoch auch denkbar, daß der Schließkegel isoliert über einen gesonderten Antrieb bewegt wird.
Im vorliegenden Falle ist die Kegelspitze bzw. Lanze mit zwei hintereinandergeschalteten Wandscheiben 24 und 26 verbunden, von denen die eine eine Kreisringform und die andere eine Scheibenform aufweist, bei der eine zentrische, im Bereich der Kegelspitze liegende Austrittsöffnung 27 vorhanden ist. Die beiden Wandscheiben. 24 und 26 sind zusammen mit der Kegelspitze beweglich. dagegen starr innerhalb des nicht-beweglichen Tubusteiles 32 ist die Blendenwand 17 angeordnet, die von dem Schließkegel 21 durchdrungen wird.
Die äußere Mantelform und der Öffnungswinkel des Kegels 21 werden im wesentlichen an die Bedürfnisse der Verstellgeschwindigkeit und Verstellstrecke angepaßt. Eine schlanke Kegelform ermöglicht es, daß auch bei höherem Gasdruck eine sehr exakte Bemessung der Gaszufuhr ermöglicht wird.
Anstelle eines Kegelmantels mit konstantem Kegelwinkel, der im allgemeinen zwischen 1 und 15 Öffnungswinkel besitzt, können auch trompetenartig geformte Kegelmäntel oder solche mit Stufenverstellung verwendet werden.
Figur 3 zeigt einen Schließkegel 121, der eine von der vorgeschriebenen Ausführungsform abgewandelte Form hat. An seiner Spitze 36 ist er stärker konvergierend; sein Öffnungswinkel beträgt etwa zwischen 10 und 30 . An seinem Ende 37 ist er dagegen abgeflacht, d. h. er nimmt die Form eines Zylindermantels an; der Öffnungswinkel geht gegen 0 . Die Mantelform des Kegels 21 bzw. 121 kann somit an die Kennlinie eines für die Luftzufuhr sorgenden Gebläses sehr exakt angepaßt werden.
Eine genaue zentrische Ausrichtung der Gas-Luft-Mischkammer kann mit Hilfe einer Verstellschraube 34 bewerkstelligt werden, die in den Trommelteil 33 eingesetzt ist.
Luftgebläse- und Gasgebläsedruck und die Durchsatzmengen können sehr genau aufeinander abgestimmt werden, so daß die Gasmenge auf eine stöchiometrische Verbrennung hin bemessen werden kann. Die Blendenscheibe 17 und der Schließkegel 21 können auch ohne weiteres ausgewechselt werden, um den Brenner an andere Gegebenheiten anzupassen.
Insgesamt ergibt sich eine für gasförmige Brennstoffe geeignete Brennereinrichtung, mit der innerhalb eines großen Lastbe-reiches die Brennstoff- und Luftzufuhr gesteuert werden kann.

Claims

1. Brennereinrichtung für einen gasförmigen Brennstoff mit einer Brennstoff- und einer Luftzufuhrleitung (16, 38; 8), die beide im Bereich einer von einer Wandung (30) umschlossenen Brennstoff-Luft-Mischzone enden, bei welcher Brennereinrichtung die Brennstoff-und die Luftzufuhr in die Mischzone (13) gleichzeitig über querschnittsveränderbare Kanäle (28; 20) mittels einer entlang der Längsachse verstellbaren Vorrichtung entsprechend der erforderlichen Brennerleistung in einem festliegenden Brennstoff-Luft-Verhältnis veränderbar sind,
nämlich

- die Gaszufuhr mittels eines verschiebbaren Schließkegels (21), der durch eine Verstellöffnung (20) der Brennstoffzufuhrleitung ragt, und

- die Luftzufuhr mittels eines mit dem Schließkegel (21) zusammenwirkenden weiteren verschiebbaren Organs (25) ,

dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Schließkegels (21; 121) starr mit einem ihm umgebenden zylindrischen Dosenteil (25) als weiterem Organ verbunden ist, dessen eine Seite den Brennstoff-Strom von der Brennstoff-Zufuhrleitung (16) aufnimmt und dessen andere Seite mit einem Brennstoff-Durchlaß (30) versehen ist,

b) die die Brennstoff-Luft-Mischzone (13) umgebende Wandung (30) zylindrisch oder quasi-zylindrisch ist, und in ihr die Kanäle (28) für die Luftzufuhr eingelassen sind,

c) und daß der Dosenteil (25) innerhalb der Wandung (30) gleitet.

2. Brennereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellöffnung (20) in einer in die Brennstoffzufuhrleitung eingebauten Blendenwand (17) vorgesehen ist.

3. Brennereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der öffnungswinkel des Schließkegels (21), vorzusweise auf seiner Mantellänge konstant, zwischen 1 und 15 beträgt.

4. Brennereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel des Schließkegels (121) im mittleren Bereich einen konstanten Öffnungswinkel besitzt, an seiner Spitze (36) abweichend davon einen größeren und/oder an seinem Ende (37) einen kleineren, gegebenenfalls bis zum Wert Null herabgesetzten Öffnungswinkel besitzt.

5. Brennereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schließkegelspitze über wenigstens eine perforierte Wandscheibe (24) mit dem Dosenteil (25) verbunden ist.

6. Brennereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei hintereinandergeschaltete Wandscheiben (24, 26) an der Schließkegelspitze angeordnet sind, von denen die den Abschluß des Dosenteils (25) bildende kreisringförmig ist.