EP0558455B1

EP0558455B1 - Brenner, insbesondere Oelbrenner oder kombinierter Oel/Gas-Brenner

Info

Publication number: EP0558455B1
Application number: EP93810115A
Authority: EP
Inventors: Jörg Füllemann; Heinrich Boner
Original assignee: Fuellemann Patent AG
Current assignee: Fuellemann Patent AG
Priority date: 1992-02-28
Filing date: 1993-02-22
Publication date: 1996-09-04
Anticipated expiration: 2013-02-22
Also published as: CZ280438B6; CA2090163A1; HUT65222A; ES2094512T3; EP0558455A1; CZ28993A3; DE59303606D1; ATE142324T1; HU9300515D0; US5346391A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner zur Verbrennung von flüssigen Brennstoffen in gasförmigem Zustand, mit einer Brennstoffzuführung, einem Lufteinlass und einer in einem Abstand vom Lufteinlass angeordneten Umlenkvorrichtung, welche eine oder mehrere Oeffnungen aufweist.
In der DE-A-1 951 752 wird ein Brenner beschrieben, bei welchem in einem Abstand von der Brennstoffdüse ein Gemischverteilerkörper angeordnet ist. Mit dem Gemischverteilerkörper soll erreicht werden, dass der flüssige Brennstoff, der noch nicht mit Verbrennungsluft vermischt ist, von der Oberfläche des Verteilerkörpers zerteilt wird und dadurch der Verbrennungsluft eine grössere Oberfläche bietet. Auch soll der Gemischverteilerkörper als Flammenstabilisator wirken. Es wird dann erwähnt, dass sich mit den bisherigen Gemischverteilerkörpern eine vollkommene Vergasung, d.h. ein Blaubrand ohne Russbildung, nicht erziehen lässt. Ein Blaubrand lasse sich zwar mit Rezirkulationsbrennern erzielen, aber Brenner dieser Art seien verhältnismässig aufwendig und teuer und für Zentralheizungen nur bedingt verwendbar, da sie auch an unterschiedlichen Brennkammern einwandfrei arbeiten sollten. Der durch die DE-A-1 951 752 vorgeschlagene Gemischverteilerkörper hat einen Durchmesser von 45 mm und weist Bohrungen von 8 mm in einem Abstand von Mitte zu Mitte von 12 mm auf der ganzen Fläche verteilt auf. Diese Bohrungen werden vom Luftstrahl, soweit er nicht auf den Gemischverteilerkörper auftritt, durchströmt. Durch die Bohrungen wird erreicht, dass die von der am Gemischverteilerkörper festgehaltenen Flamme erzeugte Wärme bis in den vorderen Teil des Gemischverteilerkörpers weitergeleitet wird, auf dem das teilweise vergaste Oel-Luft-Gemisch auftrifft, denn die zwischen den Bohrungen verbleibenden Stege weisen einen genügend grossen Querschnitt auf, um eine gleichmässige Wärmeverteilung bzw. einen gleichmässigen Wärmefluss zu ermöglichen. Dieser Brenner hat aber offensichtlich die Erwartungen nicht erfüllt. Wie nämlich später in der DE-A-28 33 686 beschrieben wird, zeigen sich beim Anfahren Instabilität und Koksansatz, die sich im Anstieg des Geräuschniveaus und der Schadstoffemission äusserten. In der DE-A-25 53 953 wurde daher vorgeschlagen, eine Umschaltvorrichtung vorzusehen, die derart verstellbar ist, dass die Verbrennungsluft im Bereich der Zerstäuberdüse während des Anfahrens verwirbelt wird. Beim Anfahren arbeitet daher ein solcher Brenner wie ein Gelbbrenner. Nach dem Anfahren wird die Umschaltvorrichtung wiederum betätigt, so dass nach dem Aufheizen des Gemischverteilerkörpers im Dauerbetrieb die Verbrennungsluft unverwirbelt strömt. Diese Lösung hat aber den Nachteil eines erhöhten technischen Aufwandes und der Gefahr, dass der Umschaltungsmechanismus blockiert. Auch hat die turbulente Gelbflamme ein hohes Geräuschniveau, und es ergeben sich auch Verkokungsprobleme (DE 28 33 686). Darüber hinaus vermag ein solcher Brenner die heute geltenden Umweltschutzvorschriften nicht mehr zu erfüllen.
Auch beim Brenner gemäss der DE 28 33 686 ist ein Gemischverteilerkörper in Kombination mit einer Umschaltvorrichtung vorgesehen. Um in der Startphase bei gutem Anfahrverhalten ein niedriges Geräuschniveau zu erzielen und im Dauerbetrieb die Bildung von Koksansatz zu vermeiden, wird die Verbrennungsluft während des Anfahrens als Hohlstrahl unverwirbelt auf den äusseren Bereich des Gemischverteilerkörpers gerichtet, worauf dann eine Umschaltung erfolgt, so dass während des Dauerbetriebs die Verbrennungsluft als straff gebündelter Vollstrahl dem inneren Bereich des Gemischverteilerkörpers zugeführt wird. Auch bei diesem Brenner besteht somit die Gefahr, dass die Umschaltvorrichtung blockiert.
Die DE-A-28 33 686 offenbart zwei verschiedene Ausführungsformen des Gemischverteilerkörpers, wobei zur ersten Anführungsform, nämlich der halbkugelförmigen, bemerkt wird, dass sie im Dauerbetrieb gleich arbeitet wie der bekannte Blaubrenner gemäss der DE-A-19 51 752, der sich wegen seines schlechten Anfahrverhaltens und wegen Koks-Ansatzes in der Praxis nicht durchsetzen konnte.
Die zweite Ausführungsform des Gemischverteilerkörpers weist mehrere hintereinander angeordnete stumpfkegelförmige Ringe auf, wobei der Innendurchmesser des jeweils stromabwärts folgenden Ringes kleiner oder gleich dem Aussendurchmesser des stromabwärts vorgeschalteten Ringes ist. Zuvorderst befindet sich eine Abdeckung mit vorzugsweise sechs Oeffnungen. Im Dauerbetrieb umströmt ein konzentrierter Luftstrahl den Gemischverteilerkörper tangential und induziert an den Kreisschlitzen zwischen den Ringen starke Rückströmungen heisser Verbrennungsgase, die den an den Ringen abgleitenden Brennstoff durchströmen und vergasen. Wie ausdrücklich beschrieben wird, strömt im Dauerbetrieb ein verhältnismässig kleiner Teil des auf den Gemischverteilerkörper aufprallenden Brennstoffs gemeinsam mit einem sehr kleinen Teil der Verbrennungsluft durch die Oeffnungen in der Abdeckung in das Innere des Gemischverteilerkörpers, wo dann kleine Gelbflämmchen entstehen. Da der Verbrennungsluftanteil sehr klein ist, sind diese Gelbflämmchen stark russend, werden aber benötigt, denn es heisst, dass sie sehr stabilisierend auf die Verbrennung wirken. Die stabilisierende Wirkung dürfte darauf beruhen, dass die Gelbflämmchen den Gemischverteilerkörper stark aufheizen, so dass dieser die Flamme gut hält. Wie später noch näher erläutert, wird dies mit dem Nachteil einer unzulässig hohen NOX-Produktion erkauft. Weiter ist auch die Produktion von Kohlenmonoxid hoch.
Wenn der Luftstrahl den Gemischverteilerkörper wenigstens teilweise umströmt, werden auch Verbrennungsgase aus der Brennkammer des Heizkessels angesaugt und strömen entlang des Gemischverteilerkörpers und heizen dessen Oberfläche auf. Je nachdem wie die Brennkammer dimensioniert ist, sind aber die rückgeführten Verbrennungsgase mehr oder weniger heiss, so dass nicht in jedem Fall genügend Verdampfungswärme zur Verfügung steht. Auch findet bei dieser Art der Rückführung keine intensive Vermischung mit dem Brennstoff statt. Aus all diesen Gründen ist kein einwandfreies Arbeiten des Brenners gewährleistet, wie dies schon in der vorher erwähnten Literatur als Nachteil der Rezirkulationsbrenner beschrieben wurde.
Ein weiterer Nachteil des Brenners gemäss der DE 28 33 686 besteht darin, dass er relativ viel thermisches NOX erzeugt. Wegen des Coanda-Effekts folgt nämlich der Strom des Luft-Brennstoff-Gemisches der äusseren Wandung des Gemischverteilerkörpers, die gegen das Ende hin parallel oder in einem spitzen Winkel zu dessen Achse verläuft, und verlässt diesen in praktisch axialer Richtung. Es entsteht somit eine langgestreckte, oder wie die Pfeile in Zeichnung zeigen, eine sich gegen die Achse hin verengende heisse Flamme, welche die NOX-Bildung begünstigt. Entsprechendes gilt auch für die Kerosinbrenner gemäss der DE 35 13 855, wo innerhalb einer porösen keramischen Brennkammer in einem Abstand von der Brennstoffdüse eine hohle konische oder halbkugelförmige Brennerschale aus porösen keramischen Material angeordnet ist.
Allen Brennern, welche in den vorher genannten Literaturstellen beschrieben werden, ist gemeinsam, dass Brennstofftröpfchen auf einen Körper, Gemischverteilerkörper oder Brennerschale genannt, aufprallen, der durch die an den Löchern auftretenden Flammen und durch Rezirkulation beheizt wird. Im Falle des Brenners gemäss der DE 28 33 686 treffen die Tropfen auf die konusförmigen Ringe auf, wobei jeweils der von den Ringen abgleitende Brennstoff durch die Rückströmung heisser Verbrennungsgase vergast wird. Vergasung und Vermischung des Brennstoffs mit Luft stellen nicht zeitlich und örtlich sauber getrennte Vorgänge dar. Die Mischung von vergastem Brennstoff und Luft ist daher nicht sehr homogen. Nach längerem Betrieb des Brenners kann es vorkommen, dass sich die Geometrie des Düsenstrahls ändert, also ein unregelmässiger Sprühkegel entsteht. Dies führt dazu, dass der Gemischverteilerkörper (Brennerschale) unregelmässig von den dahinter entstehenden Flammen beheizt wird. Dies wiederum beeinträchtigt die Verdampfung des Brennstoffs, mit der Folge einer erhöhten Produktion von Kohlenmonoxid oder gar von unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Eine zusätzliche Folge kann auch eine erhöhte Geräuschentwicklung sein.
Von besonderem Nachteil sind die in der Höhlung des Gemischverteilerkörpers oder der Brennerschale auftretenden gelben oder blauen Flammen, welche notwendig sind, um die zur Verdampfung von Brennstoff notwendige Wärme zu liefern. Diese Flammen erzeugen in der Enge der Höhlung eine sehr hohe Temperatur, die wesentlich zur unzulässig hohen NOX-Produktion dieser Art von Brennern beiträgt.
In der EP-A-0 346 284 wird ein Rezirkulationsbrenner beschrieben, bei welchem stromabwärts von der Brennstoffdüse zuerst ein Vergasungsraum und dann ein Mischkopf einer Umlenkvorrichtung angeordnet sind. Im Gegensatz zu den in den vorher erwähnten Literaturstellen beschriebenen sogenannten Gemischverteilerkörpern, die keine dauerhafte Richtungsänderung bezwecken, bewirkt die Umlenkvorrichtung eine Stromumlenkung in ungefähr radialer Richtung. Anders als beim Brenner gemäss der DE-A-19 51 752, wo ein Gemischverteilerkörper als einfaches Mittel zum Ersatz von aufwendigen und nur bedingt verwendbaren Rezirkulationsbrenner dargestellt wird, erfolgt beim Brenner der EP-A-0 346 284 die Verdampfung des Brennstoffes und die Mischung des (verdampften) Brennstoffes mit Luft in getrennten Stufen. Zuerst erfolgt die Verdampfung des Brennstoffes in einem durch heisse Rezirkulationsgase beheizten Vergaserraum, worauf dann im Mischkopf eine Mischung von Luft und vergastem Brennstoff erzeugt wird. Diese Mischung kann den Mischkopf durch eine Vielzahl von schlitzförmigen Austrittsöffnungen verlassen. Vergaser und Mischkopf werden von einem Flammrohr umschlossen, das sich etwa bis zum Ende der Umlenkvorrichtung erstreckt und auch der Bildung eines Rezirkulationswegs zum Vergaserraum dient. Da diese Umlenkvorrichtung im Gegensatz zum vorher beschriebenen Stand der Technik nicht als Vergaser dient, wird sie nicht beheizt und es ist vorerst auch nicht einzusehen, warum sie beheizt werden soll.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die angeführten Nachteile des Standes der Technik mindestens teilweise zu vermeiden. So soll die Bildung von thermischem NOX sehr tief gehalten werden. Auch soll die Wirkungsweise des Brenners möglichst unabhängig von der Konfiguration des Brennraums des Heizkessels sein, mit welchem der Brenner verwendet wird.
Ausgehend vom Stand der Technik gemäss der DE 28 33 686 wird dies dadurch erreicht, dass zwischen der Brennstoffzuführung und der Umlenkvorrichtung ein Vergasungsraum zur praktisch vollständigen Vergasung des zugeführten Brennstoffs angeordnet ist, dass die Umlenkvorrichtung lediglich Oeffnungen zur Rezirkulation von heissen Verbrennungsgasen aufweist, dass ein Flammrohr vorgesehen ist, welches sich etwa bis zum Ende der Umlenkvorrichtung erstreckt, wodurch ein Rezirkulationsweg für heisse Verbrennungsgase in den Vergasungsraum gebildet wird, und dass die Umlenkvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass das Luft/Gas-Gemisch in ungefähr radialer Richtung zum Ende des Flammrohrs abgelenkt wird.
Da bei diesem Brenner die Umlenkvorrichtung lediglich Oeffnungen zur Rezirkulation aufweist, entstehen hinter der Umlenkvorrichtung keine russenden oder heissen Flammen und die damit verbundene Produktion von Russ, Kohlenmonoxid, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden wird vermieden. Die bei diesem Brenner gebildete Flamme hat eine Flammenwurzel mit ringförmigem Querschnitt, welche innen von der Umlenkvorrichtung und aussen vom Flammrohr stabil gehalten wird. Die Ursachen für die im Gegensatz zum angeführten Stand der Technik hohe Flammenstabilität sind noch nicht sicher abgeklärt. Sicher spielt die gute Vergasung des Brennstoffs vor der Durchmischung mit Luft zur Bildung eines homogenen Gemischs eine Rolle. Auch die genaue geometrische Begrenzung des Querschnitts der Flammenwurzel dürfte Anteil daran haben. Möglicherweise trägt auch dazu bei, dass ein eigentlicher Mischkopf mit, engen Austrittsschlitzen, welche eine hohe Austrittsgeschwindigkeit des Luft/Brennstoff-Gemischs verursachen, fehlt. Es wird auch vermutet, dass die Rezirkulation durch die Rezirkulationsöffnung der Umlenkvorrichtung störende Turbulenzen hinter derselben verhindert. Vermutlich erfolgt also von der Flammenwurzel her eine praktisch laminare Strömung von heissen Gasen zur Rezirkulationsöffnung. Die verbesserte Flammenstabilität hat zur Folge, dass die Bildung von CO praktisch vermieden wird. Dies wiederum trägt zu einem höheren Wirkungsgrad und einer verbesserten Sicherheit der Heizanlage bei. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Brenners besteht auch darin, dass in vielen Fällen ein spezieller Vergaser und/oder eine elektrische Heizung wegfallen kann. Da die Umlenkvorrichtung das Luft/Gas-Gemisch in ungefähr radialer Richtung zum Ende des Flammrohrs ablenkt, entsteht eine stark in radialer Richtung expandierende Flamme. Dadurch wird eine relativ niedrige Flammentemperatur erreicht, bei der die Bildung von Stickoxiden sehr gering ist. Die Ablenkung der Flamme in radialer Richtung wird noch durch den Sog gefördert, der wegen des durch das Flammrohr gebildeten Rezirkulationswegs an der Flammenwurzel wirksam wird. Da der Rezirkulationsweg durch das Flammrohr begrenzt ist, werden direkt von der Flammenwurzel heisse Verbrennungsgase zum Verbrennungsraum geführt, wo sie eine gute Vergasung des Brennstoffs bewirken, bevor dieser in gasförmigem Zustand zur Umlenkvorrichtung gelangt. Von besonderem Vorteil ist dabei, dass diese Rezirkulation von der Dimensionierung der Brennkammer des Heizkessels praktisch unabhängig ist.
Der erfindungsgemässe Brenner erweist sich als geräuscharm im Betrieb, ist sehr servicefreundlich und besitzt einen grossen Regelbereich, etwa 40 Prozent, ohne dass eine besondere Mechanik notwendig wäre.
Vorteilhaft weist die Umlenkvorrichtung etwa die Form eines hohlen Konus auf, dessen Spitze gegen den Auslass des Vergasers gerichtet ist. Diese Formgebung ermöglicht eine einfache Herstellung der Umlenkvorrichtung und gewährleistet ein gutes Strömungsverhalten. Es sind aber auch andere Formgebungen möglich. So könnte die Umlenkvorrichtung etwa die Form eines Hohlkugelsegmentes oder eine ähnliche Form aufweisen, wobei die Wölbung gegen den Vergasungsraum hin gerichtet ist.
Eine zweckmässige Ausführungsform sieht vor, dass die Umlenkvorrichtung aus mindestens zwei Abschnitten besteht, wobei zur Bildung der Rezirkulationsöffnung je zwei Abschnitte in einem Abstand voneinander angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform ist die jeweilige Rezirkulationsöffnung ringförmig. Mit dieser Ausbildung der Umlenkvorrichtung lässt sich eine hohe Flammenstabilität erzielen. Es ist aber auch möglich, dass die Umlenkvorrichtung eine Vielzahl von Rezirkulationsöffnungen aufweist. So ist es zweckmässig, die Rezirkulationsöffnungen durch Sicken zu bilden. Diese können eine Form aufweisen, welche die Rezirkulation begünstigt. Sie können beispielsweise dachgaubenförmig sein.
Die Umlenkvorrichtung kann eine Anzahl von sich sternförmig etwa radial nach aussen erstreckenden Fingern aufweisen. Durch diese Finger wird die sich bildende Flamme gut gehalten und stabilisiert. Zum gleichen Zweck kann auch am Ende des Flammrohrs eine Anzahl von sich radial nach innen erstreckenden Fingern vorgesehen sein.
Vorteilhaft wird eine Luftblende mit einer vorzugsweise kreisrunden Oeffnung zur Luftzufuhr in den Vergasungsraum vorgesehen. Die Luftblende kann so ausgebildet sein, dass sie einen Drall in der Luftströmung erzeugt. Im Vergasungsraum ist dann die Strömung etwa schraubenförmig. Dadurch wird eine besonders gute Verwirbelung von Luft, heissen Gasen und Brennstoff erreicht. Dies wiederum fördert die Vergasung der Brennstofftröpfchen.
In den Fallen wo ein Vergaser vorgesehen ist, wird zweckmässigerweise am Vergaser eine elektrische Heizung angeordnet. Der Vergaser wird dann vor dem Einschalten der Brennstoffzufuhr aufgeheizt. Dadurch wird vermieden, dass zu Beginn des Heizvorgangs in unzulässigem Ausmass unverbrannte Kohlenwasserstoffe abgegeben werden. Es hat sich aber gezeigt, dass eine Zündung auch ohne vorherige Heizung erfolgen kann und dass in kurzer Zeit der Vergaser durch die Rezirkulation aufgeheizt wird, so dass gegebenenfalls auf eine elektrische Heizung verzichtet werden kann. Dank der Rezirkulation bei der Umlenkvorrichtung wird auch diese rasch aufgeheizt, so dass dort keine Verkokungsgefahr besteht, auch wenn keine elektrische Heizung für eine Vorheizung vor dem Einschalten der Brennstoffzufuhr vorgesehen ist.
Zweckmässigerweise bilden Umlenkvorrichtung, Luftblende und gegebenenfalls Vergaser und elektrische Heizung eine Baueinheit. Eine solche Baueinheit kann bei Servicearbeiten mit Leichtigkeit ausgewechselt werden.
Das Flammrohr ist vorteilhaft koaxial zum Vergaser angeordnet. Dies ergibt eine besonders zweckmässige Konstruktion, bei welcher die rückgeführten heissen Verbrennungsgase den Vergaser gleichmässig aufheizen.
Die Luftblende ist vorteilhaft in einem Abstand zum Vergaser angeordnet, wobei der Spalt zwischen Luftblende und Vergaser einen Rezirkulationseinlass bildet. Dank dieser Anordnung sind es in erster Linie die heissen rezirkulierenden Gase, die entlang der Innenwandung des Vergasers streichen, währenddem die kalte Luft mehr im Innern des Vergasers fliesst. Dadurch wird eine gute Verdampfung des Brennstoffes erreicht und ein Nachdampfen von Brennstoff nach dem Stillstand des Brenners vermieden. Beim Abstellen des Brenners ist der Vergaser noch so heiss, dass in kürze der verbliebene Brennstoff verdampft und mit der bis zum Stillstand des Brenners noch geförderten Luft verbrannt wird. Auch wenn relativ kalte Luft im Innern des Vergasers fliesst, wird dadurch keine unzulässige Abkühlung der Umlenkvorrichtung bewirkt, weil dort die Rezirkulation durch die Rezirkulationsöffnung der Umlenkvorrichtung für eine ausreichende Aufheizung sorgt, um eine Verkokungsgefahr zu vermeiden.
Vorteilhaft ist eine Zündelektrode im Vergasungsraum oder beim Einlass in den Vergaser angeordnet. Dies ermöglicht eine sanfte Zündung des Brenners. Es wird also der Zündungsschock praktisch fast vollständig verhindert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigt:

Figur 1: eine schematische Ansicht eines Brenners gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 2: einen Schnitt durch den Brennerkopf, wobei auch eine Zerstäuberdüse ersichtlich ist,
Figur 3: eine schematische Darstellung der Ströme von Luft und heissen Gasen beim Betrieb des Brenners,
Figur 4: eine andere Ausgestaltung der Umlenkvorrichtung,
Figur 5: ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Flammrohr durch ein in den Heizkessel einsetzbares Rohr gebildet ist,
Figur 6: eine Ansicht des Brennerkopfes von Fig. 5 von vorn,
Figur 6a: eine Ansicht von vorn einer Ausführungsform des Flammrohrs mit Fingern,
Figur 7: ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Flammrohr durch ein in den Heizkessel einsetzbares Rohr gebildet ist und ein Rezirkulationsweg auch ausserhalb dieses Rohrs vorgesehen ist,
Figur 8: ein viertes Ausführungsbeispiel ähnlich wie in Fig. 7, jedoch mit einer anderen Ausbildung des Lufteinlasses,
Figur 9: ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Vergasungsraum durch das Flammrohr begrenzt wird,
Figur 10: eine Ansicht einer Luftblende, wobei zusätzlich zur zentralen Oeffnung noch weitere kleinere Oeffnungen vorgesehen sind,
Figur 11: die Luftblende von Figur 10, wobei zusätzlich noch eine Scheibe zur Drosselung der kleinen Oeffnungen vorgesehen ist, und
Figur 12: ein kombinierter Oel/Gas-Brenner, welcher grundsätzlich den gleichen Aufbau aufweist wie der Oelbrenner von Figur 2.

Der in Figur 1 schematisch dargestellte Brenner besitzt einen Motor 8, der dem Antrieb des Lüfters 9 und der Brennstoffpumpe 10 dient. Die Brennstoffleitung 11 führt zur Zerstäuberdüse 13. Es können auch mehrere Zerstäuberdüsen 13, die einzeln oder in Kombination wirken können, vorgesehen sein. Das Rohr 15 dient der Luftzufuhr zum Brennerkopf 16. Mittels des Flansches 19 ist der Brenner am Heizkessel 20 befestigbar.
Wie insbesondere Figur 2 zeigt, bildet der Brennerkopf 16 eine leicht auswechselbare Baueinheit, die im wesentlichen aus dem Vergaser 17, der Umlenkvorrichtung 31, der Luftblende 35, der elektrischen Heizung 39 und gegebenenfalls noch weiteren Teilen besteht. Die Baueinheit 16 wird durch das Flammrohr 21 umschlossen. Dieses ist relativ kurz. Es erstreckt sich also lediglich bis ungefähr zum Ende der Umlenkvorrichtung 31. Der Raum 40 zwischen Vergaser 17 und Flammrohr 21 bildet einen Rezirkulationsweg für heisse Verbrennungsgase zum Einlass 41. Der Vergaser 17 besteht aus einem runden Rohrstück und ist beispielsweise mit drei Füssen 47 an der Luftblende 35 durch Punktschweissen, Nieten oder dergleichen befestigt. Durch die Zwischenräume zwischen den Füssen 47 entstehen Rezirkulationsdurchlässe 49. Die Baueinheit 16 ist am Rohr 15 beispielsweise mit Schrauben befestigt. Ein Dichtungsring 53 aus wärmebeständigem Material sorgt dabei für einen praktisch luftdichten Abschluss. Dadurch wird sichergestellt, dass die zur Verbrennung notwendige Luft lediglich durch die Luftblende 35 fliessen kann. Die Luftblende 35 besitzt vorteilhaft eine zentrale kreisrunde Oeffnung 55 zur Luftzufuhr in den Vergasungsraum 66. Diese Oeffnung 55 ist so bemessen, dass die Luftgeschwindigkeit der durch sie fliessende Luft für das Funktionieren des Brenners optimal ist. Wie die Figuren 10 und 11 zeigen, können aber zusätzlich zur zentralen Oeffnung 55 vorzugsweise koaxial dazu noch eine Vielzahl von kleineren Oeffnungen 50 vorgesehen werden. Es kann auch zusätzlich noch koaxial zur Luftblende 35 eine drehbare Scheibe 36 mit praktisch deckungsgleichen Oeffnungen 55', 50' vorgesehen werden. Durch Drehen der Scheibe 36 lässt sich dann der Luftstrom durch die Oeffnungen 50 der Luftblende drosseln oder ganz abstellen.
Die Umlenkvorrichtung 31 ist beispielsweise mit drei Füssen 32 am Vergaser 17 befestigt. Bei dem in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Umlenkvorrichtung 31 etwa die Form eines stumpfwinkligen hohlen Konus, dessen Spitze gegen den Auslass 42 des Vergasers 17, d.h. gegen den Vergasungsraum 66, gerichtet ist. Die Umlenkvorrichtung könnte aber auch z.B. eine tellerförmige Form oder eine gewölbte Form aufweisen. Zweckmässigerweise besitzt die Umlenkvorrichtung 31 mindestens zwei Abschnitte 54, 56, welche in einem Abstand voneinander angeordnet sind, um eine ringförmige Rezirkulationsöffnung 57 zu bilden. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist noch ein weiterer Abschnitt 58 in Form einer Platte mit Oeffnungen 59 vorhanden, so dass zwischen den Teilen 56 und 58 eine weitere ringförmige Rezirkulationsöffnung 61 geschaffen wird.
In Figur 4 wird eine andere mögliche Ausgestaltung der Umlenkvorrichtung 31 gezeigt. Die Umlenkvorrichtung 31 gemäss Figur 4 besteht aus einem z.B. kegelförmigen Blechstück, welches eine Vielzahl von dachgaubenförmigen Sicken 62 aufweist, welche Rezirkulationsöffnungen 57' bilden.
Eine solche Umlenkvorrichtung 31 ist besonders billig in der Herstellung.
Die Zündelektrode 65 ragt in den Vergasungsraum 66.
Der Brenner arbeitet wie folgt: Beim Start wird zuerst durch eine Heizungssteuerung die elektrische Heizung 39 während etwa zwei Minuten eingeschaltet. Während dieser Zeit wird der Vergaser 17 auf etwa 550 Grad C erhitzt. Nach dieser Vorheizzeit wird der Brennermotor 8 angelassen, der den Lüfter 9 für die Verbrennungsluftzufuhr und die Pumpe 10 für die Brennstoffzufuhr antreibt. Das von der Pumpe 10 geförderte Oel wird durch die Düse 13 in den Vergaser 17 gesprüht und benetzt dort die Vergaserwände. Dank der hohen Temperatur des Vergasers verdampft das Oel und wird mit der durch die Oeffnung 55 einströmenden Luft vermischt. Die Zündung erfolgt durch die Zündelektrode 65 im Vergasungsraum 66. Die Zündung im Vergasungsraum 66 hat den Vorteil, dass ein Druckstoss bei der Zündung weitgehend vermieden wird. Es findet also ein weicher Start statt. Auch erfolgt die Zündung ziemlich rasch, weil beim Start im Vergaser 17 höhere Temperaturen herrschen als am Auslass. Beim ringförmigen Spalt 67 zwischen der Umlenkvorrichtung 31 und dem Flammrohr 21 bildet sich eine blaue Flamme, die relativ kurz ist, aber radial expandiert.
Wie durch Pfeile in Figur 3 dargestellt wird, findet eine Rezirkulation von heissen Verbrennungsgasen über zwei oder gegebenenfalls drei verschiedene Wege statt. Ein erster Rezirkulationsweg führt von der Flammenwurzel am Auslass 67 durch den ringförmigen Raum 40 zwischen dem Vergaser 17 und dem Flammrohr 21 zum Rezirkulationseinlass 49 und sorgt dabei für die Erhitzung des Vergasers 17. Die elektrische Heizung 39 kann deshalb abgeschaltet werden. Die zurückgeführten heissen Gase strömen vom Einlass 41 wieder zum Auslass 42 des Vergasers 17, begünstigen die Vergasung und vermischen sich dabei einerseits mit vergastem Brennstoff und andererseits mit einströmender Frischluft. Nach einer kurzen Anlaufphase verdampfen praktisch alle Brennstofftröpfchen im Vergasungsraum 66 ohne irgendwelche Bauteile je zu berühren. Da die Frischluft durch die Oeffnung 55 in das Zentrum des Vergasers 17 fliesst, bewirkt sie keine übermässige Abkühlung des Vergasers 17, welche die Vergasung beeinträchtigen könnte. Von besonderer Bedeutung für die vorliegende Erfindung ist nun der zweite Rezirkulationsweg, der vom ringförmigen Spalt 67 in die Ablenkvorrichtung 31 und durch die Rezirkulationsöffnung 57, 61 zurück zur Flammenwurzel bei 67 führt. Durch die heissen Gase in diesem Rezirkulationsweg wird die Umlenkvorrichtung 31 aufgeheizt. Dadurch wird eine Verkokung der Umlenkvorrichtung 31 vermieden, und es wird auch eine besonders stabile Flamme erzielt, wodurch die CO-Bildung praktisch verhindert wird. Es hat sich auch gezeigt, dass die NOX-Bildung gegenüber dem vorbekannten Stand der Technik weiter auf einen sehr geringen Wert gesenkt wird.
Ein dritter Rezirkulationsweg kann gegebenenfalls ausserhalb des Flammrohrs 21 von dessen vorderem Ende zum hinteren Ende erfolgen, wenn dort entsprechende Oeffnungen 72 vorgesehen werden (Fig. 7 bis 9).
Die Ausführungsform gemäss den Figuren 5 und 6 unterscheidet sich von jener der Figur 2 insbesondere dadurch, dass die Platte 58 eine Anzahl von sternförmig sich nach aussen erstreckenden Fingern 60 aufweist. Die Finger 60 sind vorteilhaft bogenförmig gekrümmt. Durch diese Finger 60 wird die Flamme gut gehalten und stabilisiert. Diese Ausbildung eignet sich insbesondere für einen Brenner im Leistungsbereich über 20 bis 20000 Kilowatt. Es können auch Finger 64 an einem nach innen ragenden Flansch 66' des Flammrohrs 21 ausgebildet werden (Fig. 6a) um die Flamme besser zu halten.
Figur 5 zeigt auch, dass es möglich ist, das Flammrohr 21 durch ein im Heizkessel 20 einsetzbares Rohr zu bilden. Das Rohr weist zu diesem Zweck Distanzstücke 75 auf. Da im übrigen die Ausbildung des Brenners gleich ist wie bei Ausführungsbeispiel der Figur 2, kann diesbezüglich auf die vorangehende Beschreibung verwiesen werden.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Figur 7 unterscheidet sich von jenem der Figuren 5 und 6 lediglich durch den weiteren Rezirkulationsweg 72 ausserhalb des Flammrohrs 21.
Die Ausführungsform gemäss Figur 8 weist vor der Luftblende 35 eine Einrichtung 70 mit Flügeln 71 auf, um die Luft vor dem Durchtreten durch die Oeffnung 55 in eine schraubenförmige Zirkulation zu versetzen, wie dies mit Pfeilen angedeutet ist. Durch diese Zirkulation wird eine besonders gute Vergasung des Brennstoffs im Vergasungsraum 66 bewirkt.
Der Brenner von Figur 9 stellt eine vereinfachte Ausführung des Brenners gemäss den Figuren 2 und 3 dar. Es fehlt der röhrenförmige Vergaser mit der elektrischen Heizung. Wiederum ist aber eine Umlenkvorrichtung 31 vorhanden. Dies ist beispielsweise mit drei Füssen 32 an der Luftblende 35 befestigt. Die Umlenkvorrichtung kann wiederum wie vorher unter Bezugnahme auf die Figuren 2 oder 4 beschrieben gestaltet sein.
Zu beachten ist, dass die Luftblende 35 derart ausgebildet ist, dass im Vergasungsraum 66 eine etwa schraubenförmige Zirkulation entsteht. Zu diesem Zweck weist die Luftblende 35 von der Oeffnung 55 radial nach aussen sich erstreckende Flügel 71 auf, welche der in den Vergasungsraum 66 einströmenden Luft einen Drall geben, wie dies mit Pfeilen angedeutet ist. Luftblenden 35 dieser Art sind bereits bei den üblichen Zerstäuberbrennern bekannt.
Dieser Brenner arbeitet wie folgt: Beim Start wird der Brennermotor in Betrieb gesetzt, um die nötige Verbrennungsluft zu fördern. Das von der Pumpe geförderte Oel wird durch die Düse 13 in den Vergasungsraum 66 gesprüht. Die Zündung erfolgt durch die Zündelektrode (nicht eingezeichnet, siehe aber Fig. 2). Beim ringförmigen Spalt 67 zwischen Umlenkvorrichtung 31 und Flammrohr 21 bildet sich eine Flamme, die relativ kurz ist, aber radial expandiert. Nach der Bildung der Flamme werden dank der im Vergasungsraum 66 herrschenden Temperaturen praktisch alle Brennstofftröpfchen sicher vergast bevor sie irgendwelche Bauteile berühren können. Von Bedeutung sind dabei insbesondere drei Vorgänge, nämlich die Bremswirkung durch die Umlenkvorrichtung 31, die Rezirkulation der heissen Gase und der Luftwirbel im Vergasungsraum 66. Da sich diese Vorgänge gegenseitig beeinflussen, ist deren Wirkung komplex. Wichtig ist dabei, dass sie die Vergasung des Brennstoffes im Raum 66 bewirken, dass eine stark radial expandierende blaue Flamme entsteht, in welcher die Bildung von NOX äusserst gering ist und dass praktisch keine unverbrannten Kohlenwasserstoffe in den Abgasen festzustellen sind.
Luftwirbel und Rezirkulationswege sind in Fig. 9 mit Pfeilen schematisch dargestellt. Ein erster Rezirkulationsweg führt vom Auslass 67 entlang der inneren Wandung des Flammrohrs 21 in die Nähe der Luftblende 35, wo sich die heissen Gase mit der einströmenden Luft vermischen und die Verdampfung des versprühten Brennstoffes im Vergasungsraum 66 bewirken. Ein zweiter Rezirkulationsweg führt vom ringförmigen Spalt 67 durch die Ablenkvorrichtung 31 in den Vergasungsraum 66. Ein dritter Rezirkulationsweg führt ausserhalb des Flammrohrs 21 zu den Oeffnungen 72 in den Vergasungsraum 66 und trägt ebenfalls zur Verdampfung der in den Vergasungsraum 66 versprühten Brennstofftröpfchen bei.
Der in Fig. 12 dargestellte Zweistoffbrenner kann wahlweise mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff betrieben werden. Dieser Brenner weist grundsätzlich den gleichen Aufbau auf wie der Oelbrenner, welcher mit Bezug auf die Figuren 2 und 3 beschrieben wurde. Es werden daher die gleichen Bezugszeichen verwendet, und es kann auch auf die vorangehende Beschreibung verwiesen werden. Wie aber Fig. 12 zeigt, ist zusätzlich zur Zerstäuberdüse 13 für flüssigen Brennstoff ein Gaszufuhrrohr 77 für gasförmigen Brennstoff vorgesehen. Die Anordnung der Mündung 79 ist dabei so gewählt, dass der Druck der vom Gebläse geförderten Luft praktisch nicht auf den Gasdruck wirken kann, was sich negativ auf die Regelcharakteristik auswirken würde. Vorteilhaft beträgt der Abstand der Mündung 79 vor der Luftblende 35 fünf bis zwanzig Millimeter. An der Mündung 75 kann auch ein Diffusor 81 vorgesehen sein.

Claims

Brenner, insbesondere Oelbrenner oder kombinierter Oel/ Gas-Brenner, zur Verbrennung von flüssigen Brennstoffen in gasförmigem Zustand, mit einer Brennstoffzuführung (11, 13) einem Lufteinlass (55) und einer in einem Abstand vom Lufteinlass (55) angeordneten Umlenkvorrichtung (31), welche eine oder mehrere Oeffnungen zur Rezirkulation von heissen Verbrennungsgasen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Brennstoffzuführung (11, 13) und der Umlenkvorrichtung (31) ein Vergasungsraum (66) zur praktisch vollständigen Vergasung des zugeführten Brennstoffs angeordnet ist, dass ein Flammrohr (21) vorgesehen ist, welches sich etwa bis zum Ende der Umlenkvorrichtung (31) erstreckt, und dass die Umlenkvorrichtung (31) derart ausgestaltet ist, dass das Luft/Gas-Gemisch in ungefähr radialer Richtung bis zum Ende des Flammrohrs (21) abgelenkt wird, wodurch ein Rezirkulationsweg für heisse Verbrennungsgase in den Vergasungsraum (66) gebildet wird.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkvorrichtung (31) etwa die Form eines hohlen Konus aufweist, dessen Spitze gegen den Vergasungsraum (66) hin gerichtet ist.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkvorrichtung (31) etwa eine tellerförmige oder ähnliche Form aufweist, wobei die konvexe Wölbung gegen den Vergasungsraum (66) hin gerichtet ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkvorrichtung (31) aus mindestens zwei Abschnitten (54, 56, 58) besteht, die zur Bildung der Rezirkulationsöffnungen (57, 59, 61) in einem Abstand voneinander angeordnet sind.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkvorrichtung (31) eine Vielzahl von Rezirkulationsöffnungen (57') aufweist.
Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezirkulationsöffnung durch Sicken (57'), z.B. dachgaubenförmige Sicken, gebildet sind.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lufteinlass (55, 71) derart ausgebildet ist, dass im Vergasungsraum (66) eine etwa schraubenförmige Strömung entsteht.
Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Lufteinlass eine Anzahl von stationären Flügeln (71) aufweist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkvorrichtung (31) eine Vielzahl von sich sternförmig etwa radial nach aussen erstreckenden Fingern (60) aufweist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Flammrohr (21) eine Anzahl von sich nach radial nach innen erstreckenden Fingern (64) aufweist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Flammrohr (21) durch ein in den Heizkessel (20) einsetzbares Rohr gebildet ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Lufteinlass Luftblende (35) mit einer vorzugsweise kreisrunden Oeffnung (55) zur Luftzufuhr in den Vergasungsraum (66) vorgesehen ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise koaxial zum Lufteinlass ein vorzugsweise rohrförmiger Vergaser (17) mit einem Einlass (41) und einem Auslass (42) vorgesehen ist.
Brenner nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass am Vergaser (17) eine elektrische Heizung (39) angeordnet ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Umlenkvorrichtung (31), Luftblende (35) und gegebenenfalls Vergaser (17) und Heizung (39) eine einzige Baueinheit (16) bilden.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Flammrohr (21) koaxial zum Vergaser (17) angeordnet ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoffzuführung eine Zerstäuberdüse (13) vorzugsweise koaxial zum Vergaser (17) angeordnet ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Oeffnung (55) von einer Vielzahl von kleineren Oeffnungen umgeben ist.
Brenner nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Luftblende (35) eine drehbare Scheibe zum Drosseln des Luftstroms durch die kleineren Oeffnungen (50) der Luftblende (35) vorgesehen ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftblende (35) in einem Abstand zum Vergaser (17) angeordnet ist, wobei der Spalt zwischen Luftblende (35) und Vergaser (17) einen Rezirkulationseinlass (49) bildet.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zündelektrode (65) im Vergasungsraum (66) angeordnet ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzuführung eine Zerstäuberdüse (13) für flüssigen Brennstoff und ein Gaszufuhrrohr (77) für gasförmigen Brennstoff umfasst.
Brenner nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündung des Gaszufuhrrohrs (77) in einem Abstand von der Oeffnung (55) der Luftblende (35) angeordnet ist.
Brenner nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaszufuhrrohr (77) mit einem Diffusor (81) versehen ist.