NL1009251C2 - Brander met laag CO-gehalte in de verbrandingsgassen. - Google Patents

Description

- 1 - BRANDER MET LAAG CO-GEHALTE IN DE VERBRANDINGSGASSEN 5

De uitvinding heeft betrekking op een vlakke-vlambrander, welke een branderkom omvat die zich verwijdend eindigt in een uitmonding.

Uit EP-A-727.612 is een dergelijke brander 10 bekend, waarvan wordt gezegd dat deze geschikt is voor toepassing in een gesloten gaskooktoestel. In genoemde publikatie wordt niets naders geleerd over specifieke uitvoeringsvormen van een dergelijk gaskooktoestel. Gebleken is dat toepassing van de bekende brander, 15 afgedekt met de voor gesloten kooktoestellen gebruikelijke glaskeramiekplaat, het probleem meebrengt dat het CO-gehalte in de verbrandingsgassen hoger is dan gewenst.

De uitvinding stelt zich ten doel een 20 brander te verschaffen geschikt voor toepassing in een gesloten toestel die dit nadeel niet of in beduidend geringere mate vertoont.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt doordat boven de branderkom een de uitmonding daarvan 25 niet afsluitend deksel aanwezig is.

Bij de brander volgens de uitvinding blijkt het CO-gehalte in de verbrandingsgassen beduidend lager te zijn dan in de bekende brander.

Vlakke-vlambranders kenmerken zich door de 30 menging van gas en verbrandingslucht in de verbrandingsruimte en door het in wervelende beweging invoeren van het verbrandingsmengsel in een branderkom, dat is een verbrandingsruimte met een als regel cirkelvormige doorsnede loodrecht op de asrichting van 35 de brander. Onder de asrichting wordt verstaan de 1000251 - 2 - denkbeeldige lijn die de verplaatsingsrichting van het verbrandingsmengsel aangeeft van de invoer daarvan in de brander naar de uitmonding van de branderkom, waar de verbrandingsvlam eindigt. In het vervolg dienen 'boven' 5 en 'onder' gelezen te worden in relatie tot deze asrichting. De brandermond kan convex of concaaf zijn, waarbij een doorsnede van een vlak door de asrichting met de wand van de brandermond een deel van een cirkel is. Dergelijke branders zijn op zich bekend, 10 bijvoorbeeld uit de reeds genoemde EP-A-727.612, uit EP-A- 41.645, SU-A-1.315.731, DE-A-3.305.186 enDE-A-2.854.395. Een eigenschap van deze branders is dat de verbranding plaatsvindt in de aan een zijde open uitmondende branderkom. Door de wervelende beweging ligt 15 de vlam tegen de wand van de branderkom aan. De vlam steekt niet of slechts in zeer geringe mate uit boven de uitmonding van de branderkom. Door de wervelende beweging worden de hete verbrandingsgassen bij het bereiken van de uitmonding van de branderkom in 20 hoofdzaak tangentieel weggeslingerd uit de branderkom in richtingen loodrecht op de asrichting.

In de brander volgens de uitvinding is boven de branderkom op een zekere afstand daarvan een deksel aanwezig. Er zijn middelen aanwezig om het deksel op de 25 gewenste afstand boven de branderkom te positioneren. Daartoe bezit bijvoorbeeld het deksel aan de naar de brander toegekeerde zijde uitsteeksels, waarmee het deksel steunt op de wand van de branderkom of, in het geval de brander is opgenomen in een toestel, op een 30 zich buiten de branderkom uitstrekkende en daaraan aansluitende tot het toestel behorende bodemplaat, hierna aangeduid als branderplaat, in de bovenzijde waarvan de branderkom eindigt. Ook kunnen het deksel ondersteunende uitsteeksels zijn aangebracht op de 1 n 0 9 2 5 1 - 3 - branderplaat of de wand van de branderkom. De verbrandingsgassen kunnen aldus vrijelijk wegstromen door de ruimten tussen de uitsteeksels en het deksel sluit de uitmonding niet af. De branderkom is als regel 5 cirkelvormig om de gewenste wervelende beweging van het verbrandende mengsel mogelijk te maken en in overeenstemming daarmee is ook het deksel bij voorkeur cirkelvormig.

Gebleken is dat het CO-gehalte in de 10 verbrandingsgassen lager is naarmate de diameter van het deksel groter wordt. De diameter van het deksel bedraagt bij voorkeur ten minste 80% van de diameter van de branderkom en met meer voorkeur ten minste 100% daarvan. De maximale diameter kan afhangen van de toepassing 15 waarin de brander wordt gebruikt en bedraagt bij voorkeur ten hoogste 200% en met meer voorkeur ten hoogste 150 % van de diameter van de branderkom. Indien het deksel niet cirkelvormig is, bedragen de afmetingen van het deksel in alle richtingen bij voorkeur tussen de 20 100 en 150 % van de overeenkomstige afmetingen van de uitmonding van de branderkom.

Een reden om de diameter van het deksel niet willekeurig groot te kiezen is gelegen in het feit dat bij toenemende diameter het NOx-gehalte blijkt toe te 25 nemen, zij het niet tot onacceptabele waarden. Uit het voorgaande zal duidelijk zijn dat ook deksels met andere vormen dan rond kunnen worden toegepast, waarbij het gesloten oppervlak daarvan dan in verhouding tot dat van de branderkom gekozen wordt zoals uit het voorgaande af 30 te leiden voor een cirkelvormig deksel. Het deksel schermt de vlam af van het boven de brander gelegen te verwarmen voorwerp. Om deze afschermende werking te verminderen kan het deksel gedeeltelijk open worden uitgevoerd, bijvoorbeeld bestaande uit een centraal 10 0 9 ? 5 1 - 4 - cirkelvormig deel langs de buitenomtrek voorzien van in het vlak van het deksel uitstekende delen, bijvoorbeeld in de vorm van driehoeken met hun top van het deksel afgekeerd en met hun basis verbonden met de buitenomtrek 5 van het cirkelvormige deel van het deksel. Het deksel heeft dan aldus een stervormig uiterlijk waarbij de openingen tussen de driehoeken de afscherming van de vlam door het deksel verminderen. Een dergelijk deksel waarin het cirkelvormige deel een kleinere diameter 10 heeft dan hiervoor aangegeven blijkt toch een verbranding met laag CO-gehalte in de verbrandingsgassen te bewerkstelligen, waarbij klaarblijkelijk de oppervlakte van de uitstekende driehoeken de kleinere diameter van het cirkelvormige deel compenseert. De 15 vakman zal bij een meer open constructie door eenvoudig experimenteren de geschikte oppervlakte van het niet-open gedeelte van het deksel kunnen vaststellen bij een gegeven brandergrootte.

De dikte van het deksel is voor het bereiken 20 van het beoogde effect van de uitvinding niet kritisch en is bij voorbeeld gelegen tussen 1 en 4 mm. De afstand tussen het vlak waarin de uitmonding van de branderkom is gelegen en de naar de brander toegekeerde zijde van het deksel is bijvoorkeur gelegen tussen 1 en 20% van de 25 diameter van de branderkom, met meer voorkeur tussen 2 en 15% daarvan. Bij de voor kookbranders gebruikelijke afmetingen ligt genoemde afstand bijvoorbeeld tussen 1 en 10 mm.

Het deksel kan de vorm van een vlakke plaat 30 hebben maar ook kan het deksel aan de onderzijde, dat is dus de naar de branderkom gekeerde zijde, niet vlak zijn uitgevoerd maar in het midden dikker zijn dan aan de uiteinden. Het verloop in dikte kan lineair zijn maar ook kan de onderzijde vanaf de rand van het deksel naar i 7 o o1 ï o i - 5 - het midden toe gebogen verlopen, waarbij in meer of mindere mate de vorm van de branderkom kan worden gevolgd. Het deksel kan worden vervaardigd uit elk materiaal dat bestand is tegen de hoge temperaturen van 5 de eronder brandende gasvlam. Geschikte materialen zijn bijvoorbeeld metalen en keramiek, zowel dicht als poreus.

De brander volgens de uitvinding blijkt zeer geschikt voor toepassing in een gesloten toestel, 10 waaronder wordt verstaan een toestel waarin boven de brander een afdekplaat aanwezig is die het ontwijken van de verbrandingsgassen naar de omgeving verhindert. Een bijzonder geschikt voorbeeld hiervan is een gesloten gaskooktoestel analoog aan de bekende elektrisch 15 verhitte met een keramische plaat afgesloten kooktoestellen maar ook in andere constructies waarin zich op geringe afstand boven het deksel een afsluitend voorwerp bevindt kan de brander volgens de uitvinding worden toegepast met voordelige werking.

20 De uitvinding heeft tevens betrekking op een met een afdekplaat gesloten gaskooktoestel waarin ten minste één brander volgens de uitvinding aanwezig is.

Gesloten gaskooktoestellen zijn op zich bekend uit bijvoorbeeld het Nederlandse octrooi nr.

25 176.301. In dergelijke gesloten gaskooktoestellen wordt als brander een poreus keramisch stralingslichaam toegepast waarin een stoechiometrisch gas-luchtmengsel wordt verbrand. Deze brander heeft als nadeel dat de grootte van de vlam en daarmee het nominale vermogen dat 30 de brander levert slechts is te regelen door de brander met een geschikte frequentie aan en uit te schakelen. De brander volgens de uitvinding daarentegen blijkt binnen een ruim gebied qua dimensies en energetisch vermogen eenvoudig te regelen over het voor kooktoestellen 1 o n o 9 - -1 - 6 - gebruikelijke traject met een regelbereik, dat is de verhouding tussen het kleinste en de grootste afgegeven warmtevermogen, van ten minste 1:4 door, zoals men bij open gasbranders gewend is, de toevoer van gas en lucht 5 te regelen. Zelfs is een regelbereik van ten minste 1:7 haalbaar gebleken.

In de bekende gesloten kooktoestellen komt de gasvlam niet direct in aanraking met de te verhitten pannen maar de vlam verhit bij voorbeeld een poreus 10 veelal steenachtig materiaal en brengt dit tot gloeien en het uitzenden van infraroodstraling (IR-straling). Deze straling verhit dan via een geschikt gekozen IR-straling doorlatende afdekplaat, bijvoorbeeld een glaskeramiekplaat (' SchottR-plaat') , de op de plaat 15 geplaatste voorwerpen. De brander volgens de uitvinding kan in principe toegepast worden in combinatie met alle IR-straling doorlatende of warmtegeleidende afdekplaten, die verder aan de voor deze toepassing te stellen eisen van hittebestendigheid, warmtegeleiding en mechanische 20 sterkte voldoen. De brander verhit de afdekplaat in principe direct dus zonder tussenkomst van een IR-straling afgevend materiaal.

De aanwezigheid van het deksel blijkt als aanvullend voordeel te hebben dat de kleur van de 25 afdekkende glaskeramiekplaat boven een ingeschakelde brander duidelijk afwijkt van de kleur op plaatsen die niet worden verhit. Hierdoor wordt de gebruiker erop geattendeerd dat de betreffende brander in werking is. Onnodig laten branden van niet in gebruik zijnde 30 branders en brandwonden door aanraking van de afdekplaat kunnen aldus worden voorkomen.

De branders in een gaskooktoestel volgens de uitvinding eindigen bij voorkeur met hun uitmonding in het bovenvlak van een branderplaat, waarbij dit vlak 10 o 9 ? 5 1 - 7 - samenvalt met het vlak door de uitmondingen van de branders. Dit is het gunstigst voor een gelijkmatige afvoer van de verbrandingsgassen. Op een geschikte afstand boven de branderplaat bevindt zich dan de 5 afdekplaat. Deze afstand is bij voorkeur gelegen tussen 2 en 15 mm, met meer voorkeur tussen 4 en 10 mm. De afstand tussen de bovenzijde van het deksel en de afdekplaat is niet kritisch en kan zelfs nul zijn. In de ruimte tussen afdekplaat en branderplaat kunnen de 10 verbrandingsgassen die onder het deksel vandaan stromen worden afgevoerd, waarbij zij dan de afdekplaat bij het langsstromen verhitten.

Om de afgifte van warmte uit de verbrandingsgassen verder te bevorderen is het van 15 voordeel de branderplaat aan de naar de afdekplaat gekeerde zijde te voorzien van een patroon van ribben die de afstand tussen de branderplaat en de afdekplaat lokaal geheel of voor ten minste 50% overbruggen, waarbij de ruimten tussen de ribben dan kanalen vormen, 20 waardoor de afvoergassen worden afgevoerd. Het ribbenpatroon wordt zodanig gekozen dat de verbrandingsgassen niet langs de kortste weg vanaf de branderkom naar de plaats waar de gassen het toestel verlaten kunnen stromen maar gedwongen worden een 25 langere weg te nemen. Hierdoor wordt de door de verbrandingsgassen af te leggen weg van de branderkom naar de afvoer naar buiten het toestel verlengd en de warmteafgifte vergroot. Tevens is het van voordeel wanneer de afmetingen van de door de ribben gevormde 30 kanalen branderkom af naar buiten toe kleiner worden, zodat afname van de stroomsnelheid van de afkoelende verbrandingsgassen wordt tegengegaan. Een andere voordelige manier om een goede warmteafgifte te bereiken is een uitvoeringsvorm waarin de afstand tussen 4 η π o o £ ^ - 8 - afdekplaat en branderplaat kleiner wordt in radiale richting, dat is loodrecht op de asrichting van de branderkom gezien, van af de uitmonding van de branderkom. Bij voorkeur is de afname van de afstand 5 zodanig dat op elke afstand van het centrum van de brander de stroomsnelheid van de verbrandingsgassen nagenoeg gelijk is. Bij het bepalen van de afstand tussen afdekplaat en branderplaat dient dan bij voorkeur tevens rekening gehouden te worden met de volumeafname 10 van de verbrandingsgassen ten gevolge van hun afkoeling. Hiermee wordt de afname van de stroomsnelheid van de verbrandingsgassen langs de afdekplaat tegengegaan.

De uitvinding zal worden toegelicht aan de hand van de navolgende figuren en tekeningen, zonder 15 evenwel beperkt te zijn tot de daarin weergegeven uitvoeringsvormen.

Hierin is Fig. 1 een bovenaanzicht van een gaskooktoestel met vier branders volgens de uitvinding, waarvan de afdekplaat is weggenomen; 20 Fig. 2 een deel van de doorsnede langs de lijn A-A uit Fig. 1 door het gaskooktoestel, nu afgedekt met een glaskeramiekplaat;

Fig. 3 een bovenaanzicht van de branderplaat uit het kooktoestel van Fig.2; 25 Fig. 4 een bovenaanzicht van een andere uitvoeringsvorm van een branderplaat; en

Fig. 5 een doorsnede als in Fig. 2 van een gaskooktoestel volgens een verdere uitvoeringsvorm.

In Fig. 1 is 1 het bovenvlak van een 30 branderplaat waarin branders 2, 3, 4 en 5 uitmonden. De gestippelde cirkels 6 zijn de begrenzing van de uitmondingen van de branderkommen. Met 7 zijn de deksels die gecentreerd boven de branderkommen liggen aangegeven. In Fig. 2 is te zien dat branderkom 208 AQ0° r < - 9 - uitmondt in bovenvlak 201 met cirkelvormige uitmondingen, waarvan 209 en 210 de snijpunten met het bovenvlak in deze doorsnede aangeven. Deksel 207 bevindt zich boven de uitmonding van branderkom 208 en steunt op 5 uitsteeksels 211 op de branderplaat, zodat de uitmonding niet wordt afgesloten. De onderzijde 212 van deksel 207 verdikt zich van de rand daarvan naar het midden toe en in het midden is een uitsteeksel 213 aanwezig. Wand 214 heeft een convexe vorm en gaat aan de onderzijde over in 10 een cilindrisch kanaal 215. Dit kanaal 215 eindigt op een wervelkamer 216, waarin de verbrandingslucht na te zijn ingevoerd via ingang 217 in een ronddraaiende beweging wordt gebracht en wervelend ingevoerd in kanaal 215. Gastoevoer 218 steekt door wervelkamer 216 heen en 15 mondt onderin kanaal 215 uit met langs de omtrek aangebrachte openingen 219, waardoor het uitstromende gas wordt meegenomen door en gemengd met de wervelende verbrandingslucht en verbrandt in kom 208. De vlammen reiken tot de hoogte van bovenvlak 201 of slechts tot 20 zeer geringe hoogte daarboven. Op de branderplaat zijn ribben 220 aanwezig die kanalen 221 vormen.

In Fig. 3 vormen ribben 320 een kanalenpatroon 321 dat verloopt vanaf de branderkom naar de afvoer 322 voor de verbrandingsgassen. Het patroon is aangebracht op of in 25 het bovenvlak 301 van de branderplaat. De aanwezigheid van de ribben 320 dwingt de verbrandingsgassen de omweg via de door de ribben gevormde kanalen 321 te nemen vanaf de branderkom 308 naar de afvoer 322. In deze figuur is geen deksel boven de branderkom weergegeven.

30 In Fig. 4 zijn 420 ribben die zich radiaal vanaf de branderkom 408 naar buiten toe vernauwende kanalen 421 vormen, welke uitmonden in een omtrekskanaal 423 dat uitmondt in afvoer 422 voor de verbrandingsgassen.

In Fig 5. is het bovenvlak 501 van de branderplaat 501 10 0 9 > „ .

- 10 - niet vlak maar dit verloopt radiaal omhoog vanaf de omtrek van de uitmonding van de branderkom 508 naar afdekplaat 524. Hierdoor wordt de afstand tussen de branderplaat en afdekplaat 524 kleiner naarmate men zich 5 verder verwijdert van de uitmonding van de brander.

Deksel 507 steunt net buiten de omtrek van de uitmonding van de branderkom 508 met uitsteeksels 511 op bovenvlak 501. Met 525 is een kanaal aangeduid, dat ruimte biedt voor een ontsteekinrichting. Ruimte 516 vormt de 10 wervelkamer, waarin de toegevoerde lucht (toevoer in deze doorsnede niet zichtbaar) in een ronddraaiende beweging wordt gebracht. Het gas wordt toegevoerd door leiding 518 en stroomt in axiale richting daaruit, waarna het zich vermengt met de uit wervelkamer 516 15 ronddraaiend toegevoerde lucht.

De uitvinding wordt verder toegelicht aan de hand van de navolgende voorbeelden.

Vergelijkend Experiment 20 Een brander zoals beschreven in Fig 1 en in meer detail in EP-A-727,612 waarvan de uitmonding van de branderkom een diameter had van 50 mm werd afgedekt met een SchottR-plaat en bedreven bij verschillende vermogens. Het vermogen werd ingesteld door het geschikt 25 kiezen van de aan de brander toegevoerde hoeveelheid aardgas en verbrandingslucht. De samenstelling van de verbrandingsgassen werd bepaald bij verschillende ingestelde vermogens. Het minimum vermogen, waarbij genoemde samenstelling werd bepaald bedroeg 0,28 kW, het 30 maximum 1,93 kW en daartussen werd bij nog 6 tussenliggende vermogens gemeten. Het regelbereik van de brander bedroeg aldus ongeveer 1:7.

De hoeveelheden CO in de verbrandingsgassen bij de verschillende belastingen zijn weergegeven in Tabel 1 1 Π O ·'' o ς 1 - 11 -

De overeenkomstige hoeveelheden CH4 zijn weergegeven in Tabel 2, de hoeveelheden NOx in Tabel 3.

Voorbeeld I-III

5 Het Vergelijkend Experiment werd herhaald met dien verstande dat nu steeds een rond deksel boven de branderkom werd aangebracht, bestaande uit een keramische schijf met een dikte van 3 mm. De diameter van het deksel bedroeg achtereenvolgens 53, 63 en 80 mm 10 (resp. Voorbeeld I, Voorbeeld II en Voorbeeld III). De afstand tot de branderplaat bedroeg 3 mm. De hoeveelheden CO in de verbrandingsgassen bij de verschillende belastingen zijn weergegeven in Tabel 1. De overeenkomstige hoeveelheden CH4 zijn weergegeven in 15 Tabel 2, de hoeveelheden NOx in Tabel 3.

Uit vergelijking van de waarden in Tabel 1 blijkt duidelijk dat de aanwezigheid van het deksel leidt tot een aanmerkelijke reductie van het CO-gehalte in de verbrandingsgassen, waarbij de reductie groter is 20 naarmate de diameter van het deksel groter is. Bij een diameter van 80 mm is het CO-gehalte over het gehele regelgebied 30 ppmv of lager. Ook de hoeveelheid onverbrand CH4 blijkt door de aanwezigheid van het deksel aanmerkelijk af te nemen.

1009251 - 12 -

Tabel 1: CO-gehalte

Vermogen Verg. Exp Voorb, I Voorb, Π Voorb, III 5 (kW) (ppmV) (ppmV) (ppmV) (ppmV) 0,28 95 47 68 30 0,38 59 42 60 24 0,57 44 36 20 26 10 0,8 43 42 24 11 1.13 72 42 40 10 1.41 76 95 63 17 1.64 120 142 89 17 1.93 178 226 104 27 15

Vermogen Verg. Exp Voorb. I Voorb. IX Voorb,_III

20 (kW) (ppmV) (ppmV) (ppmV) (ppmV) 0,28 73 24 109 0 0,38 43 16 40 0,57 21 7 00 25 0,8 1 0 00 1.13 0 0 00 1.41 0 1 00 1.64 9 5 00 1.93 4 24 00 30 1 η η o o (T ^ - 13 -

Tabel 3: NCX-gehalte

Vermogen Verg. Exp Voorb. I Voorb. II Voorb, III 5 (kW) (ppmV) (ppmV) (ppmV) (ppmV) 0,28 22 19 14 34 0,38 31 27 24 23 0,57 16 29 24 38 10 0,8 17 16 21 28 1,13 17 16 16 21 1,41 18 17 16 21 1,64 17 17 16 17 1,93 19 16 16 19 1 Π n O '·: V t

Claims (6)

1. Brander, geschikt voor een gesloten 5 gaskooktoestel, welke een branderkom omvat die zich verwijdt tot een uitmonding met het kenmerk dat daarboven een de uitmonding niet afsluitend deksel aanwezig is.

2. Brander volgens conclusie 1, waarin het deksel 10 cirkelvormig is.

3. Brander volgens conclusie 1 en 2 waarin de afmetingen van het deksel in alle richtingen tussen de 100 en 150 % van de overeenkomstige afmetingen van de uitmonding van de branderkom 15 bedragen.

4. Met een afdekplaat gesloten gaskooktoestel waarin ten minste één brander volgens een der conclusies 1-3 aanwezig is.

5. Gaskooktoestel volgens conclusie 4, waarin de 20 brander eindigt met een uitmonding in een branderplaat, gelegen op een afstand onder de afdekplaat.

6. Gaskooktoestel volgens conclusie 5, waarin de afstand tussen afdekplaat en branderplaat kleiner 25 wordt gezien in radiale richting vanaf de uitmonding van elke brander. 1. n o '' q 1