EP0195360B1 - Atmosphärischer Gasbrenner - Google Patents
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- F23C2203/00—Flame cooling methods otherwise than by staging or recirculation
- F23C2203/20—Flame cooling methods otherwise than by staging or recirculation using heat absorbing device in flame
Definitions
- the invention relates to an atmospheric gas burner according to the preamble of the main claim.
- fins are arranged next to each outflow opening on the burner tube, which are formed from more or less large sheets with bends at the upper free end, these sheets being used only for gas / air mixing and flame stabilization.
- Such flame cooling is also not achievable with the burner according to GB-A-1 038 216, since the element arranged above the burner tube is a box-shaped structure with an open top that extends almost over the entire length of the burner tube long slot in the bottom, which is followed by a funnel-shaped inflow nozzle directed downwards against the row of outflow openings and through which air is to be supplied to the flame to an increased extent.
- the invention is therefore based on the object of improving an atmospheric gas burner of the type mentioned in such a way that optimal NOX reduction values are to be obtained and that the reduction is also to be largely independent of the surrounding geometry, i.e. the NOX reduction should be reproducible on practically every boiler equipped with an atmospheric gas burner.
- the floors which are advantageously rounded into the lamellae of the pocket-like body, are designed in a shape that is adapted to the curvature of the burner tube in the transverse assignment of the pocket-like bodies to the burner tube, so that the bottoms of the bodies have the same distance to the burner tube at every point.
- the pocket-like bodies are longitudinally assigned to the burner tube, which then correspond approximately to the length of the burner tube, but can also be arranged shorter in a row as sections, the bodies forming the reducing element are arranged with their bottoms equally spaced from the surface of the burner tube.
- the pocket-like bodies are arranged at a distance from one another which corresponds to their width, i.e. the area above the burner tube which is actually spatially occupied by the bodies is only about half of the total area occupied by flames.
- the burner openings in the burner tubes are evenly spaced apart standing groups are arranged, the pocket-like bodies are advantageously arranged over the opening-free areas of the burner tube.
- the reducing element consists of a plurality of such individual bodies, these are expediently arranged together on at least one carrier which is furthermore arranged such that it can be adjusted in a variable distance with respect to the burner tube, which provides a further possibility for optimizing the NOX reduction, with which possibility the fact is taken into account that the gases used can have different compositions, which may require different distance settings of the reducing element to the burner tube.
- such pocket-shaped bodies can also be arranged in the longitudinal direction, that is to say parallel to the longitudinal axis of the burner tube, with a corresponding length dimensioning, such bodies are then advantageously provided in their bottoms with air inflow openings in order to ensure the aforementioned chimney effect even with such relatively long bodies.
- the atmospheric gas burner consists of at least one burner tube 2 with a plurality of gas outflow openings 1 arranged in groups 6, the elements which reduce the flame temperature and thus the NOX formation being arranged in the flame region above the burner tube 2 .
- FIGS. 1, 2 For the sake of simplicity, FIGS.
- the reducing element is always formed from the same individual parts, which are basically perpendicular to one another at a distance from one another
- lamellae 3 which delimit flame shafts 4 and which, as shown and oriented to the normally given arrangement of the gas outlet openings 1, are preferably arranged transversely to the longitudinal axis of the burner tube.
- This simplest embodiment is illustrated in the middle area of the burner tube in FIG. 1. With reference to FIG. 3, the fins 3 are cut following the curvature of the burner tube 2.
- small feet 3 'on the slats ensure a corresponding spacing.
- two slats 3 with side walls 7 are advantageously and preferably combined to form a shaft box 8, these boxes 8 each above an opening group 6 (on the right in FIGS. 1, 2) or between two opening group 6 (left in Fig. 1, 2) can be arranged above the burner tube 2.
- This training as a shaft box 8 has the advantage that the lamellae 3 experience stiffening and are therefore less subject to warping due to the action of heat.
- the effort required to attach the fins 3 to the burner tube is considerably reduced in comparison to the attachment of individual fins 3.
- side walls 3 serving as fastening and holding elements side walls 3 can optionally be perforated in the vicinity of the burner tube 2 and provided in the fastening area with elongated holes for which small stud bolts are dotted on the burner tube, so that the boxes 8 with respect to their lower edges 5 Burner tube 2 can be fixed at variable distances.
- the boxes 8 themselves form the flame shafts 4, while in an arrangement of the boxes 8 between groups of openings (on the left in FIGS. 1, 2) the flame shafts 4 are each delimited by two boxes 8 . Irrespective of whether the boxes 8 are now arranged directly above an opening group 6 or between two opening groups 6, corresponding shafts are created by arranging the boxes 8 next to one another. Even with a group arrangement and configuration, as shown in FIGS. 1, 2, the fins 3 could of course also be oriented parallel to the longitudinal burner tube, i.e. in rows one behind the other and next to one another, with relatively short fins being preferred due to the risk of warping.
- the reducing element is formed from a plurality of pocket-like bodies 9, which are arranged at the sides and open at the top and are distributed over the gas outflow openings 1 of the burner tube 2, the ends 10 of which advantageously merge into the lamellae when arranged transversely to the burner tube 2 are also adapted in shape to the curvature of the burner tube 2.
- Such bodies 9 can be easily made of suitable metallic material with appropriate molding tools in one Pull operation. Since, taking into account the usual lengths of burner tubes 2, at least about ten such bodies 9 must be assigned to each burner tube, the whole is formed into a uniformly attachable element, with the aid of two side supports 13, as can be seen in FIGS. 6, 7.
- This attachment is preferably and advantageously also adjustable, so that the entire structure can be adjusted with the optimum distance from the burner tube 2.
- the bodies 9 are expediently arranged at the same distance from one another on the burner tube 2 or on the supports 13. Since the gas outflow openings 1 are usually provided on such burner tubes 2, as also shown in FIGS. 4, 5 and as mentioned above, in groups 6, the pocket-like bodies 9 are advantageously arranged above the opening-free areas of the burner tube 2, since this Flames standing above the gas outflow openings 1 are least disturbed. The flames burn freely in the spaces between two bodies 9, which in turn, since they are open on the side (see flow arrow in Fig. 7), are open to the lateral inflow of secondary air, which thereby cools the fins 3, so that the latter continuously remove heat from the hot flame area, which counteracts NOX formation.
- the bodies 9 are also possible to dimension them accordingly long and to arrange them parallel to the longitudinal extension of the burner tube, as indicated in FIG. 8.
- the bodies 9 could also be arranged in the form of a number of short pieces in a row in the longitudinal direction in such an arrangement, but this requires a greater amount of support, in the embodiment according to FIG. 8 the bodies 9 have air inlet openings advantageously in the bottoms 10 11, for example in the form of slots, in order to achieve the cooling "chimney effect" within the body 9 in this embodiment as well.
- Appropriate shaping of the holder 13 also ensures in this embodiment that the bottoms 10 of all the longitudinally extending bodies 9 are at the same distance from the surface of the burner tube 2.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen atmosphärischen Gasbrenner gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.
- Über bzw. auf dem Brennerrohr angeordnete Elemente, die allerdings nichts mit einer NOX-Reduzierung zu tun haben, sind nach der EP-A-0 139 353 und nach der GB-A-1 038 216 bekannt.
- Beim Brenner nach der EP-A-0 139 353 sind Lamellen neben jeder Ausströmöffnung auf dem Brennerrohr angeordnet, die aus mehr oderweniger großen Blechen mit Abwinkelungen am oberen freien Ende gebildet sind, wobei diese Bleche nur zur Gas/Luftmischung und Flammstabilisierung dienen sollen.
- Eine Kühlung der Flamme ist damit nicht möglich.
- Eine solche Flammkühlung ist ebenfalls nicht mit dem Brenner nach der GB-A-1 038 216 erreichbar, da es sich bei dem über dem Brennerrohr angeordneten Element um ein sich nahezu über die ganze Länge des Brennerrohres erstrekkendes, kastenförmiges, nach oben offenes Gebilde mit einem langen Schlitz im Boden handelt, an den sich ein nach unten gegen die Reihe von Gesausströmöffnungen gerichtetes und trichterförmig erweitertes Einströmmundstück anschließt, durch das der Flamme in verstärktem Maße Luft zugeführt werden soll.
- Hinsichtlich der sogenannten NOX-Emission von Heizungsanlagen, die mit Öl- oder Gasbrennern betrieben werden, wird Bezug genommen auf "Wärme-Gas-international", Band 30 (1981), Heft 1, Seiten 41, 42. Durch die allgemeinen Umweltbelastungsprobleme ist auch die Frage der sogenannten NOX-Emission im Heizungsanlagenbereich zu Diskussion gekommen mit dem Bestreben, die NOX-Emission soweit wie möglich zu reduzieren. Vorschläge hierzu bestehen darin, die Brennerrohre flammseitig mit einem feinmaschigen Metallgewebe abzuschirmen, um damit die Flamme zu kühlen und die vom die NOX-Bildung reduzierenden Element aufgenommene Wärme abzustrahlen. Für Ölbrenner wird dafür im genannten Aufsatz u.a. ein reduzierendes Element mit angeführt, das eine halbkugelartige, gelochte Schale darstellt. Insbesondere bei atmosphärischen Gasbrennern wurde festgestellt, daß durch derartige Einbauten bzw. Flammschirme zwar verhindert werden . kann, daß der Sauerstoff aus der zugeführten Sekundärluft mit der hohen Flammtemperatur unmittelbar in Kontakt kommen kann, und daß es dadurch zu einer Reduzierung der NOX-Bildung kommt. Gleichzeitig ist dabei aber zu beobachten, daß, wenn das Element die Flamme in ungünstiger Weise stört, dann der Verbrennungsablauf nicht mehr vollständig ist und damit die CO-Bildung ansteigt, abgesehen davon, daß mit derartig einfachen Abschirmungen bezüglich der NOX-Reduzierung offenbar bei weitem nicht des maximal mögliche Maß erreichbar ist, vermutlich deshalb nicht, weil die Flammen zu wenig gekühlt werden. Soweit festgestellt werden konnte, hängt dies auch mit der Geometrie der das Brennerrohr umgebenden Brennkammerwandungen und auch mit der Geometrie der in den heißesten Flammbereichen eingebrachten, die NOX-Bildung reduzieren sollenden Elemente zusammen.
- Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen atmosphärischen Gasbrenner der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß sich möglichst optimale NOX-Reduzierungswerte ergeben sollen und daß sich die Reduzierung auch weitgehend unabhängig von der Umgebungsgeometrie einstellen soll, d.h. die NOX-Reduzierung praktisch an jedem Heizkessel, der mit einem atmosphärischen Gasbrenner bestückt ist, reproduzierbar sein soll.
- Diese Aufgabe ist mit einem atmosphärischen Gasbrenner der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angeführten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich nach den Unteransprüchen.
- Mit diesem erfindungsgemäß ausgebildeten Brenner hat sich in überraschender Weise gezeigt, daß sich im Vergleich zu den eingangs erwähnten und vorbekannten Elementen eine wesentlich verbesserte NOX-Wertreduzierung ergab, die sich weitgehend unabhängig von der jeweiligen Umgebungsgeometrie der Brennkammer einstellt, ohne daß dabei ein Anstieg der CO-Bildung zu beobachten ist. Erklärbar ist dies im Grunde nur dadurch, daß der Verbrennungsablauf aufgrund der speziellen Formgebung des reduzierenden Elementes weitgehend ungestört bleibt, die Elemente in Form von Lamellen offenbar ausreichend große, wärmeabstrahlende Flächen aufweisen, die zudem, ebenfalls durch die spezielle Ausbildung eine ausreichende Kühlung erfahren, da Sekundärluftanteile zwischen die Lamellen einströmen können, da zwischen den Lamellen gewissermaßen eine Art Kamineffekt zustande kommt.
- Bei einer Ausführungsform des Brenners sind die vorteilhaft abgerundet in die Lamellen der taschenartigen Körper übergehenden Böden bei Querzuordnung der taschenartigen Körper zum Brennerrohr in ihrem Formverlauf der Wölbung des Brennerrohres angepaßt ausgebildet, so daß die Böden der Körper an jeder Stelle die gleiche Distanz zum Brennerrohr haben. Bei Längszuordnung der taschenartigen Körper zum Brennerrohr, die dann etwa der Länge des Brennerrohres entsprechen, aber auch kürzer als Teilstücke in Reihe hintereinander angeordnet werden können, werden die das reduzierende Element bildenden Körper mit ihren Böden gleichabständig zur Oberfläche des Brennerrohres angeordnet.
- Ferner ist vorteilhaft vorgesehen, daß die taschenartigen Körper zueinander mit einem Abstand angeordnet sind, der ihrer Breite entspricht, d.h., die tatsächlich von den Körpern räumlich beanspruchte Fläche über dem Brennerrohr beträgt etwa nur die Hälfte der gesamten von Flammen besetzten Fläche.
- Da in der Regel die Brenneröffnungen in den Brennerrohren in zueinander gleichmäßig beabstandeten Gruppen angeordnet sind, werden die taschenartigen Körper vorteilhaft über den öffnungsfreien Bereichen des Brennerrohres angeordnet.
- Da erfindungsgemäß das reduzierende Element aus einer Mehrzahl solcher Einzelkörper besteht, werden diese zweckmäßig gemeinsam an mindestens einem Träger angeordnet, der ferner in bezug auf das Brennerrohr abstandsveränderlich einstellbar angeordnet ist, wodurch eine weitere Möglichkeit zur Optimierung der NOX-Reduzierung gegeben ist, mit welcher Möglichkeit der Gegebenheit Rechnung getragen ist, daß die verwendeten Gase unterschiedliche Zusammensetzungen haben können, die ggf. unterschiedliche Distanzeinnstellungen des reduzierenden Elementes zum Brennerrohr verlangen.
- Da, wie erwähnt, derartige taschenförmige Körper bei entsprechender Längenbemessung auch in Längsrichtung, also parallel zur Längsachse des Brennerrohres angeordnet werden können, werden derartige Körper dann vorteilhaft in ihren Böden mit Lufteinströmöffnungen versehen, um auch bei derartigen, relativ langen Körpern den vorerwähnten Kamineffekt sicherzustellen.
- Der erfindungsgemäße atmosphärische Gasbrenner wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
- Es zeigt schematisch
- Fig. 1 eine Seitenansicht eines Brennerrohres;
- Fig. 2 eine Draufsicht auf das Brennerrohr;
- Fig. 3 eine Vorderansicht des Brennerrohres nach Fig. 1;
- Fig. 4 eine Seitenansicht des Brennerrohres mit zu taschenartigen Körpern ausgebildeten Lamellen;
- Fig. 5 eine Draufsicht auf das Brennerrohr gemäß Fig. 4;
- Fig. 6 eine Draufsicht auf das aus den einzelnen Körpern nach Fig. 4, 5 gebildete reduzierende Element;
- Fig. 7 eine Ansicht des reduzierenden Elementes in Pfeilrichtung A gemäß Fig. 6 in Anordnung am Brennerrohr und
- Fig. 8 eine Draufsicht auf das Brennerrohr in anderer Ausführungsform.
- Wie aus den Fig. 1, 2 erkennbar, besteht der atmosphärische Gasbrenner aus mindestens einem Brennerrohr 2 mit einer Vielzahl von in Gruppen 6 angeordneten Gasausstromöffnungen 1, wobei über dem Brennerrohr 2 im Flammbereich die die Flammtemperatur und damit die NOX-Bildung reduzierenden Elemente angeordnet sind. Der Einfachheit halber sind in den Fig. 1, 2 unterschiedliche Ausbildungs- und Anordnungsformen der das reduzierende Element bildenden Einzelteile dargestellt, d.h., in der tatsächlichen Ausführungsform ist das reduzierende Element immer aus den gleichen Einzelteilen gebildet, das grundsätzlich aus einer Mehrzahl in Abstand zueinander senkrecht über dem die Gasausströmöffnungen 1 enthaltenden Bereich des Brennerrohres 2 verteilt angeordneten, Flammschächte 4 begrenzenden Lamellen 3 besteht, die, wie dargestellt und orientiert an der normalerweise gegebenen Anordnung der Gasausströmöffnungen 1, bevorzugt quer zur Längsache des Brennerrohres angeordnet werden. Diese einfachste Ausführungsform ist im mittleren Bereich des Brennerrohres in Fig. 1 verdeutlicht. Unter Verweis auf Fig. 3 sind die Lamellen 3 der Wölbung des Brennerrohres 2 folgend zugeschnitten. Soweit nicht andere Halterungen für die Lamellen 3 vorgesehen sind, sorgen kleine Füßchen 3' an den Lamellen für eine entsprechende Distanzhalterung. Wie ebenfalls aus den Fig. 1 bis 3 erkennbar, werden vorteilhaft und bevorzugt von den Lamellen 3 jeweils zwei mit Seitenwänden 7 zu einem Schachtkästchen 8 zusammengefaßt, wobei diese Kästchen 8 jeweils über einer Öffnungsgruppe 6 (rechts in Fig. 1, 2) oder zwischen zwei Öffnungsgruppe 6 (links in Fig. 1, 2) über dem Brennerrohr 2 angeordnet werden. Diese Ausbildung zu Schachtkästchen 8 hat den Vorteil, daß die Lamellen 3 eine Aussteifung erfahren und damit weniger Verwerfungen durch Wärmeeinwirkung unterworfen sind. Außerdem reduziert sich natürlich der Befestigungsaufwand der Lamellen 3 am Brennerrohr im Vergleich zur Anbringung von Einzellamellen 3 beträchtlich. Die gemäß Fig. 3 gleichzeitig als Befestigungs- und Halteelemente dienenden Seitenwände 3 können ggf. im Nahbereich des Brennerrohres 2 gelocht und im Befestigungsbereich mit Länglöchern versehen sein, für die am Brennerrohr kleine Stehbolzen aufgepunktet sind, so daß die Kästchen 8 bezüglich ihrer Unterkanten 5 zum Brennerrohr 2 abstandsvariabel fixiert werden können.
- Bei dieser bevorzugten Ausführungsform bilden die Kästchen 8 (rechts in Fig. 1, 2) selbst die Flammschächte 4, während bei einer Anordnung de Kästchen 8 zwischen Öffnungsgruppen (links in Fig. 1, 2) die Flammschächte 4 jeweils von zwei Kästchen 8 begrenzt werden. Unabhängig davon, ob nun die Kästchen 8 direkt über einer Öffnungsgruppe 6 oder zwischen zwei Öffnungsgruppen 6 angeordnet sind, entstehen durch die Nebeneinanderanordnung der Kästchen 8 zwischen diesen entsprechende Schächte. Selbst bei einer Gruppenanordnung und Ausbildung, wie in den Fig. 1, 2 verdeutlicht, könnten die Lamellen 3 selbstverständlich auch parallel zur Brennerrohrlängsache orientiert sein, d.h., in Reihen hinter- und nebeneinander, wobei wegen der Verwerfungsgefahr relativ kurze Lamellenstücke zu bevorzugen wären.
- Bei den Ausführungsformen nach Fig. 4 bis 8 ist das reduzierende Element aus einer Mehrzahl zueinander über den Gasausströmöffnungen 1 des Brennerrohres 2 verteilt angeordneten, seitlich und nach oben offenen taschenartigen Körpern 9 gebildet, deren vorteilhaft abgerundet in die Lamellen übergehende Böden 10 bei Queranordnung zum Brennerrohr 2 in ihrem Formverlauf ebenfalls der Wölbung des Brennerrohres 2 angepaßt sind. Derartige Körper 9 lassen sich problemlos aus geeignetem metallischen Material mit entsprechenden Formwerkzeugen in einem Arbeitsgang ziehen. Da unter Berücksichtigung üblicher Längen von Brennerrohren 2 jedem Brennerrohr mindestens etwa zehn derartige Körper 9 zugeordnet werden müssen, wird das Ganze zu einem einheitlich anbringbaren Element ausgebildet, und zwar mit Hilfe zweier seitlicher Träger 13, wie aus Fig. 6, 7 erkennbar. Eine Einzelhalterung im Sinne der vorbeschriebenen Kästchen 8 der taschenartigen Körper 9 wäre jedoch ebenfalls möglich. Die Träger 13 werden in geeigneter Weise und wie in Fig. 7 bspw. angedeutet, am Brennerrohr 2 befestigt, so daß die Körper 9 mit ihren Böden 10 mit einem bestimmten Abstand über dem Rohr 2 angeordnet sind.
- Bevorzugt und vorteilhaft erfolgt auch diese Anbringung einstellbar, so daß das ganze Gebilde mit dem jeweils optimalen Abstand zum Brennerrohr 2 einstellbar ist. Zweckmäßig werden die Körper 9 gleichabständig zueinander am Brennerrohr 2 bzw. an den Trägern 13 angeordnet. Da die Gasausströmöffnungen 1 in der Regel an derartigen Brennerrohren 2, wie ebenfalls aus den Fig. 4, 5 ersichtlich und wie vorerwähnt, in Gruppen 6 vorgesehen sind, werden die taschenartigen Körper 9 vorteilhaft über den Öffnungsfreien Bereichen des Brennerrohres 2 angeordnet, da hierbei die über den Gasausströmöffnungen 1 stehenden Flammen am wenigsten gestört werden. Die Flammen brennen also unbehindert in die Zwischenräume zwischen jeweils zwei Körper 9 hinein, die ihrerseits, da sie seitlich offen sind (siehe Strömungspfeil in Fig. 7), dem seitlichen Zustrom von Sekundärluft offenstehen, die dadurch die Lamellen 3 kühlt, so daß diese dem heißen Flammbereich ständig Wärme entziehen, wodurch einer NOX-Bildung entgegengewirkt wird.
- Selbstverständlich ist es auch möglich, die Körper 9 entsprechend lang zu bemessen und parallel zur Längserstreckung des Brennerrohres, wie in Fig. 8 angedeutet, anzuordnen. Abgesehen davon, daß man die Körper 9 bei einer derartigen Anordnung auch in Form mehrerer kurzer Stücke in Reihe hintereinander in Längsrichtung anordnen könnte, was allerdings einen größeren Halterungsaufwand verlangt, werden bei der Ausführungsform nach Fig. 8 vorteilhaft in den Böden 10 der Körper 9 Lufteinströmöffnungen 11 bspw. in Form von Schlitzen vorgesehen, um auch bei dieser Ausführungsform zu dem kühlenden "Kamineffekt" innerhalb der Körper 9 zu gelangen. Durch entsprechende Formgebung der Halter 13 wird bei dieser Ausführungsform ebenfalls dafür gesorgt, daß die Böden 10 aller sich längs erstreckenden Körper 9 die gleiche Distanz zur Oberfläche des Brennerrohres 2 haben.
- In Rücksicht auf die beschriebenen und speziellen Ausführungsformen des NOX-reduzierenden Elementes steht im übrigen nichts entgegen, die Gasausströmöffnungen 1 am Brennerrohr 2 von vornherein bezüglich ihrer Gruppenanordnung an der Form und dem Verlauf der Lamellen 3 zu orientieren, die im übrigen auch in Form eines grob gerasterten Lamellengitters vorgesehen werden können, wobei zweckmäßig für lange Lamellen bspw. im Sinne der Fig. 8 sich nicht oder nur wenig verwerfendes Material (dünne Keramiklamellen) zu verwenden wären.
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