EP0794384A2

EP0794384A2 - Kleinfeuerung für den häuslichen Nutzungsbereich

Info

Publication number: EP0794384A2
Application number: EP97100752A
Authority: EP
Inventors: Horst Dr.-Ing. Büchner; Wolfgang Prof. Dr.-Ing. Leuckel
Original assignee: DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches eV; Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches eV Technisch Wissenschaftlicher Verein
Current assignee: DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches eV; Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches eV Technisch Wissenschaftlicher Verein
Priority date: 1996-02-08
Filing date: 1997-01-18
Publication date: 1997-09-10
Anticipated expiration: 2017-01-18
Also published as: DE59708741D1; DE19604585A1; ATE228226T1; EP0794384A3; EP0794384B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Feuerung mit einem Brenner, mit dem ein Flammenteppich erzeugt wird. Aufgrund von Instabilitäten der Zündung der Flammen kann bei derartigen Brennern eine Flammen-/Druckschwingung auftreten, die sich in einem Pfeifen äußert. Um dieses Pfeifen zu verhindern, wird vorgeschlagen, die Brenneroberfläche auf eine gegenüber der unbeheizten Brenneroberfläche oder der gekühlten Brennkammerwand deutlich erhöhten Oberflächentemperatur zu beheizen, wodurch sich eine Zündstabilisierung ergibt. Damit werden die Flammen-/Druckschwingungen vermieden. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Feuerung, insbesondere eine Kleinfeuerung für den häuslichen Nutzungsbereich, mit einem Brenner, der eine Vielzahl von zueinander eng benachbarten Brenneraustrittsöffnungen aufweist, durch die ein Brennstoff-/Luftgemisch strömt, das stromabwärts des Brenners verbrannt wird.
Feuerungen dieser Art finden sich in Gasboilern oder Gasheizthermen oder -heizkessel, wobei der Brenner üblicherweise aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff gefertigt ist. Aufgrund der vielen Austrittsöffnungen spricht man auch von einem "multiple-port" oder einem "Teppichbrenner". Diesen Brennern wird üblicherweise vorgemischtes Brennstoff-/Luftgemisch zugeführt. Der Brenner ist zumindest abschnittsweise siebartig ausgeführt und das Brennstoff-/Luftgemisch tritt durch die derart gebildeten eng benachbarten Brenneraustrittsöffnungen laminar hindurch und wird stromabwärts in einer Vielzahl von Einzelflammen verbrannt, die jeweils einzelnen Brenneraustrittsöffnungen zuzuordnen sind.
An derartigen Feuerungen können Flammen-/Druckschwingungen auftreten, wie sie auch bei industriellen Verbrennungsanlagen, wie zum Beispiel Gasturbinenbrennkammern, Industrieöfen etc. bekannt sind. Während die bei den industriellen Verbrennungsanlagen auftretenden Druckschwingungen aber in der Regel vergleichsweise niedrige Frequenzen und hohe Amplituden aufweisen, sind die bei den hier beschriebenen Kleinfeuerungen auftretenden Druckschwingungen häufig durch hohe Frequenz aber niedrige Amplituden gekennzeichnet. Damit tritt an diesen Anlagen eine nicht tolerierbare akustische Belastung auf in Form eines Pfeifens. Um dieses Pfeifen beseitigen zu können, werden von den Brenner- bzw. Geräteherstellern unter hohem finanziellen Aufwand Möglichkeiten gesucht, das Auftreten dieser Verbrennungsinstabilitäten durch Änderungen am Brenner oder an der Brennkammergeometrie zu verhindern.
Dabei weiß man zwar, daß das Auftreten dieser Schwingungen an eine diskrete Kombination der feuerungstechnischen Betriebsparameter wie thermische Leistung, Luftzahl und Brennstoffart gebunden ist, letztlich ist man aber auf empirisch erhaltene Maßnahmen angewiesen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine oben beschriebene Feuerung derart weiterzubilden, daß die Schwingungen, das heißt also das Pfeifen, unter den üblichen Betriebsbedingungen im gewünschten Regelbereich der Feuerung nicht mehr auftreten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Brenneroberfläche im Bereich der Brenneraustrittsöffnungen beheizbar ist.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß die den Flammenteppich bildenden Einzeiflammen nicht ausreichend zündstabilisiert sind. Bei den oben angesprochenen industriellen Verbrennungsanlagen werden hierzu konstruktive Maßnahmen ergriffen. Dies ist aber bei den hier interessierenden Brennern aufgrund der Vielzahl der Austrittsöffnungen, aus denen das Brenngas-/Luftgemisch in vielen Einzelstrahlen austritt, aus wirtschaftlichen Gründen nicht vertretbar.
Deswegen treten insbesondere bei Mager-Vormischverbrennungen von gas- oder dampfförmigen Brennstoffen Verbrennungsinstabilitäten auf. Für diese gibt es mehrere sich teilweise auch gegenseitig beeinflussende Ursachen. Zum einen ändern sich die Wärmefreisetzungsraten der Flammen periodisch, zum anderen ändert sich die axiale Position, an dem das aus der Brenneraustrittsöffnung ausströmende Gas entzündet wird, wobei diese als "Zündschwingung" bezeichnete Fluktuation der Zündzonen relativ zur Brenneroberfläche als wesentliche Ursache des Pfeifens angesehen wird.
Durch die erfindungsgemäße Beheizung wird jetzt eine deutlich erhöhte Brenneroberflächentemperatur erreicht, was als Folge eine erhebliche Verbesserung der Zündstabilität der Flamme hat und so die Zündschwingungen unterdrückt.
Soweit hier von der Beheizung der Brenneroberfläche gesprochen wird, wird darunter auch verstanden, lediglich Bereiche der Brenneroberfläche entsprechend zu beheizen, in denen aufgrund der spezifischen lokalen Randbedingungen normalerweise erste Instabilitäten auftreten können, die dann entsprechende Schwingungen im gesamten Flammenteppich initiieren können.
Eine Möglichkeit, die Brenneroberfläche, aus der das Brennstoff-/Luftgemisch austritt, zu beheizen, ist sie mit einer Zuführvorrichtung für heiße Rauchgase zu verbinden. In diesem Fall würde die Brenneroberfläche durch Wärmetausch mit heißen, ausgebrannten Rauchgasen beheizt. Hierzu kann das Rauchgas in einer doppelwandigen Brennerplatte geführt werden, in die die Brenneraustrittsöffnungen als Durchtrittskanäle eingearbeitet sind, so daß sich die Rauchgase nicht mit dem Frischgasgemisch vermischen können.
Alternativ wird vorgeschlagen, den Brenner elektrisch zu beheizen. Vorzugsweise wird der Brenner hierzu aus einem Material gefertigt, das sich bei Durchleitung eines elektrischen Stromes in ausreichendem Maße erhitzt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Brenneroberfläche aber durch eine Wärmebestrahlung erwärmt, wozu ihr gegenüber ein Strahlungsschild in der Feuerung angeordnet wird. Dieses Strahlungsschild, ist ein sowohl im Verhältnis zur Brenneroberfläche als auch im Verhältnis zu der in der Regel wassergekühlten Brennkammerwand heißer Festkörper. Die von diesem ausgehende Wärmestrahlung erhöht die Temperatur der Brenneroberfläche, so daß sich bei dieser eine einheitliche, deutlich erhöhte Oberflächentemperatur einstellt, was eine Verbesserung der Zündstabilität der Flamme zur Folge hat und die Zündschwingungen unterdrückt. Es bietet sich an, das Strahlungsschild durch die Flammen oder die Rauchgase zu beheizen, die am Strahlungsschild vorbeistreifen. Diese haben eine Temperatur von ca. 1.200 - 1.400 °C, so daß das Strahlungsschild auf eine Temperatur von ca. 800 - 1.000 °C oder darüber erhitzt wird.
Das Strahlungsschild kann dabei sowohl aus metallischem Material sein, zum Beispiel Edelstahl, oder aber auch aus keramischem Material. Wesentlich ist, daß das Material bei der hohen Temperatur widerstandsfähig gegen Oxidation etc. bleibt und die entsprechenden Strahlungseigenschaften eines Festkörperstrahlers bei einer ausreichenden Strahlungsemissivität entwickelt.
Der Abzug der Rauchgase wird unter Strömungsgesichtspunkten nicht behindert, wenn das Strahlungsschild insbesondere gitterförmig ausgebildet ist.
Um eine gleichmäßige Beheizung der Brenneroberfläche sicherzustellen, ist das Strahlungsschild vorzugsweise parallel zur Brenneroberfläche angeordnet, bei Ausführungsformen, bei denen eine spezielle Strahlungscharakteristik notwendig ist, ist aber auch eine geneigte Stellung des Strahlungsschildes gegenüber der Brenneroberfläche denkbar.
Bei einem im wesentlichen rohrförmigen Brenner mit senkrechter Achse, der an seiner Mantelfläche die Brenneraustrittsöffnungen aufweist, ist eine Beheizung der Brenneroberfläche insbesondere an dem unteren Bereich notwendig an dem sie nicht durch an ihr hochstreichende Rauchgase erhitzt wird. Dies wird vorteilhafterweise durch ein konzentrisch um den Brenner herum angeordnetes Strahlungsschild erreicht, das die Form eines zylindrischen Rohres oder eines Kegelstumpfes aufweist.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Dabei zeigt

Figur 1: einen durch Rauchgase beheizten Brenner;
Figur 2: einen elektrisch beheizten Brenner;
Figur 3: einen durch ein Strahlungsschild beheizten Brenner.

In Figur 1 ist eine Feuerung im Schnitt dargestellt. Diese Feuerung weist eine wassergekühlte Brennkammerwand 1 auf, wobei das an dieser Brennkammerwand anfallende Kühlwasser die Nutzwärme der Feuerung trägt. Die Temperatur der Brennkammerwand liegt dabei in einem Bereich in der Größenordnung von 100 °C. Die Brennkammerwand wird beheizt durch heiße Rauchgase mit einer Temperatur von etwa 1.200 bis 1.400 °C, die von einem Flammenteppich erzeugt werden, der sich aus einer Vielzahl von Einzeiflammen 2 zusammensetzt. Diese Einzelflammen 2 entstehen an einer Vielzahl von Brenneraustrittsöffnungen 3, die in einer Brennerplatte 4 ausgebildet sind. Dieser Brennerplatte wird über ein Zuführrohr 5 ein vorgemischtes Brenngas-/Luftgemisch 6 zugeführt, das durch die Brenneraustrittsöffnungen 3 der Brennerplatte 4 hindurchtritt und dann entsprechend verbrannt wird. Da das Brenngas-/Luftgemisch (Frischgasgemisch) selbst relativ kühl ist, insbesondere etwa Umgebungstemperatur hat, wird auch die Brennerplatte, durch die es strömt, etwa auf dieser Temperatur gehalten.
Um die Einzelflammen 2 an der Oberfläche 4a der Brennerplatte 4 entsprechend zu stabilisieren, wird die Brennerplatte 4 beheizt. Im hier dargestellten Beispiel ist die Brennerplatte 4 hierfür zweischalig ausgebildet, indem eine Unterschale 7 mit Abstand zur Brennerplatte 4 vorgesehen ist und das Zuführrohr 5 für das Brenngas-/Luftgemisch 6 abschließt. Die Unterschale 7 ist mit Durchtrittsöffnungen 8 versehen, die über einen Zwischenraum 9 hinweg mittels Röhrchen 10 an die Brenneraustrittsöffnungen 3 angeschlossen sind. Durch den Zwischenraum 9 werden heiße Brenngase 11 hindurchgeführt, die die Brennplatte 4 entsprechend erhitzen, was an dieser über Wärmeleitung zu einer Erhöhung der Temperatur der Brenneroberfläche 4a und damit zur Stabilisierung der Einzeiflammen 2 bzw. des Flammenteppichs führt. Damit treten hier keine Flammenschwingungen mehr auf und ein bei bisherigen Brennern häufig beobachtetes Pfeifen wird so vermieden.
Die heißen Rauchgase 11 werden über eine nicht dargestellte Leitung der durch die Brennkammerwand 1 begrenzten Brennkammer 12 entnommen, an deren Boden 13 der Brenner angeordnet ist.
In der Figur 2 ist eine alternative Beheizung für eine Brennerpiatte 4 bzw. der Brenneroberfläche 4a dargestellt. Hier wird die Beheizung mittels einer elektrischen Stromquelle 14 vorgenommen, an die die Brennerplatte 4 über ein entsprechendes Verbindungskabel 15 angeschlossen ist und aus der sie mit elektrischem Strom versorgt wird. Dieser elektrische Strom bewirkt an der Brennerplatte 4 eine Erwärmung, da deren Material dem Strom einen gewissen Widerstand entgegenstellt. Auch die hierdurch bewirkte Erwärmung der Brenneroberfläche 4a führt zu einer Zündstabilisierung der den Flammenteppich bildenden Einzelflammen 2.
Über Isolationsschichten 16 zwischen der Brennerplatte 4 und dem Boden 13 der Brennerkammer 12 wird eine elektrische Isolierung erreicht.
Eine weitere Möglichkeit zur Beheizung der Brenneroberfläche wird in der Figur 3 beschrieben.
Dort ist innerhalb der Brennkammer 12 der Feuerung gegenüber der Brennerplatte 4 ein Strahlungsschild 17 befestigt. Dieses Strahlungsschild wird durch heiße Rauchgase 18 des sich aus den Einzelflammen 2 zusammensetzenden Flammenteppich auf eine Temperatur in der Größenordnung von ca. 800 - 1.000 °C erhitzt. Damit hat das Strahlungsschild eine im Vergleich zur gekühlten Brennkammerwand 1 oder zur unbeheizten Brenneroberfläche 4a deutlich höhere Temperatur und es fängt an, wie ein heißer Festkörper Energie abzustrahlen, wobei ein gewisser Anteil hiervon als Nettostrahlungswärmestrom 19 auf die Oberfläche 4a des Brenners 4 abgestrahlt wird. Diese Strahlungswärme erhitzt die Brenneroberfläche 4a entsprechend, so daß auch auf diese Weise eine Zündstabilisierung erreicht wird und das bereits erwähnte Pfeifen nicht mehr auftritt.
Das Strahlungsschild 17 ist im hier dargestellten Beispiel parallel zur Brennerplatte 4 ausgerichtet, es kann aber auch gegenüber der Brennerplatte geneigt eingebaut werden, falls eine abgeschwächte Beheizung der Brennerplatte 4 durch das Strahlungsschild 17 in gewissen Bereichen erwünscht ist.
Das Strahlungsschild 17 besteht aus einem keramischen Material, das nach seiner Eignung als heißer Festkörperstrahler ausgesucht ist. Es kann aber auch aus Metall gefertigt werden.
Um die abströmenden Rauchgase nicht zu stark zu behindern, ist das Strahlungsschild im übrigen auch gitter- oder rostförmig auszubilden, wobei dann durch Wahl eines entsprechenden Abstandes zwischen den einzelnen Gitter- oder Rostabständen eine Verteilung von Wärmestrahlung entsprechend den spezifischen Anforderungen möglich ist.

Claims

Feuerung, insbesondere Kleinfeuerung, mit einem Brenner (4), der eine Vielzahl von zueinander eng benachbarten Brenneraustrittsöffnungen (3) aufweist, durch die ein Brennstoff-/Luftgemisch (6) strömt, das stromabwärts des Brenners verbrannt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Brenneroberfläche (4a) des Brenners (4) zumindest im Bereich der Brenneraustrittsöffnungen (3) beheizbar ist.
Feuerung gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Feuerung mit einer Zuführvorrichtung für heiße Rauchgase (11) zum Brenner (4) versehen ist zur Beheizung der Brenneroberfläche (4a).
Feuerung gemäß Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Rauchgas (11) in einer doppelwandigen, die Brenneraustrittsöffnungen (3) als Durchtrittskanal (10) aufweisenden Brennerplatte (4) geführt ist.
Feuerung gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Brenneroberfläche (4a) elektrisch beheizbar ist.
Feuerung gemäß Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Brenner (4) aus einem bei Durchleitung eines elektrischen Stromes sich erhitzenden Material besteht.
Feuerung gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Brenneroberfläche (4a) gegenüber ein Strahlungsschild (17) angeordnet ist.
Feuerung gemäß Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Strahlungsschild (17) durch die Flammen (2) oder deren Rauchgase beheizt ist.
Feuerung gemäß Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Strahlungsschild (17) aus metallischem Material ist.
Feuerung gemäß Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Strahlungsschild (17) aus keramischem Material ist.
Feuerung gemäß Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Strahlungsschild (17) gitterförmig ist.
Feuerung gemäß Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Strahlungsschild (17) parallel zum Brenner (4) angeordnet ist.
Feuerung gemäß Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Strahlungsschild (17) eine gegenüber der Brenneroberfläche (4) geneigte Stellung hat.
Feuerung gemäß Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Brenner (4) rohrförmig ist und radiale Gasaustrittsöffnungen (3) aufweist und daß das Strahlungsschild (17) als konzentrisch zum Brenner (4) angeordnetes Rohr oder als Kegelstumpf ausgebildet ist.