NO152882B - Forgasningsbrenner - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en forgasningsbrenner med et forkammer til blanding av et i det minste delvis fordampet flytende brennstoff med primærluft, med en katalysatorinnretning som slutter seg til forkammeret og tjener til omforming av damp/ luft-blandingen til en brenngass, med et til katalysatorinnretningen grensende blandekammer til blanding av brenngassen med se-kundær luft, med et ringkammer som omgir forkammeret, katalysatorinnretningen og blandekammeret konsentrisk og er skilt fra forkammeret ved en ringvegg, med et kammer som utvider seg konisk,og en perforert brennerplate av porøst materiale som avgrenser brenner-kammeret, og som brenngass/luft-blandingen kan tilføres fra blandekammeret, med et foran forkammeret anordnet frontkammer som går over i en ringkanal som omgir forkammeret fullstendig og ringkammeret såvel som katalysatorinnretningen i det minste delvis, med en i ringkanalen anordnet varmekilde til fordampning av brennstoffet, med en i ringkammeret anordnet varmekilde til forvarming av primærluft under startforløpet og til understøttelse ved belastningsendring, med radialkanaler som er anordnet i ringveggen og forbinder ringkammeret med forkammeret, med en og en homogeniseringsinnretning anordnet i forkammeret og blandekammeret, og med et mellom brennkammeret og blandekammeret anordnet tennkammer som er skilt tilbake-slagsfritt fra blandekammeret. En slik brenner danner gjenstand for norsk patent, nr. 146880

I den nevnte forgasningsbrenner forbrennes

flytende brennstoff i to trinn, idet bare en del av den totale til-førte luft - som forgasningsluft (primærluft) - blandes med brennstoffet og omsettes til en brenngass ved katalytisk partiell oksyda-sjon (understøkiometrisk forbrenning) i første trinn. I annet trinn blir brenngassen blandet med den resterende luft (forbrennings-luft, sekundærluft) og forbrent ved en brennerplate.

Ved husholdningsbrennere av vanlig oppbygning blir brennstoffet forstøvet ved hjelp av en dyse, og sammen med all luften forbrent i et brennkammer. Da dysens forstøvningsgrad bare kan varieres innen et smalt område, kan slike husholdningsbrennere ikke reguleres kontinuerlig ned til små ytelser. Dessuten er de innstilt på maksi-mal ytelse og blir ved mindre varmebehov regulert i støtdrift med en to-punkts regulering. Derved behøves større varmekjeier som energi-lagre for driftspausene. Enn videre medfører den gjentatte støtbe-lastning av brenneren en sterk temperaturvekslingsbelastning av mate-rialene, en øket sot- og skadestoffbelastning av varmekjeier, kamin og avgasser såvel som et ekstremt energibehov under den elektriske ten-ning. Den i norsk patent nr. 146880 foreslåtte forgasningsbrenner må derimot bare settes i gang ved begynnelsen av en varme-periode og kan da kontinuerlig reguleres ned til meget små belast-ninger i henhold til varmebehovet, slik at de nevnte ulemper elimi-neres. Dessuten oppnås der ved reaksjonsforløpet under forbrenningen en vesentlig reduksjon i utslippet av skadelige stoffer, f.eks. uforbrente hydrokarboner og nitrogenoksyder. Derved kan den totalt nødvendige luft begrenses til den luft som ér nødvendig for den stø-kiometriske forbrenning, hvorved der kan oppnås høye brenntemperaturer. En foretrukken utførelsesform for den forgasningsbrenner som

er foreslått i ovennevnte patentsøknad, er vist på figur 1 og består som allerede nevnt i det vesentlige av to trinn, nemlig et forgas-ningstrinn med et sentralt anordnet reaktorkammer 2 (katalysatorinnretning) som omfatter en katalysator, og en forbrenningsdel som omfatter et blandekammer 3, et tennkammer 7 og et konisk utvidet brennkammer 8 som er lukket med en perforert brennerplate 9. Foran katalysatorinnretningen 2 er ved innløpet 14 anordnet et forkammer 1 til blanding av brennstoffene med primærluft. Forkammeret 1 er sideveis begrenset av en ringveg.g 5 og via radialkanaler 6 i denne forbundet med et ringkammér 4 som konsentrisk omslutter forkammeret 1, katalysatorinnretningen 2 og blandekammeret 3. Gjennom ringkammeret 4 blir primærluften tilført forkammeret 1.

For tilførsel av brennstoffet er der forkoplét forkammeret

et frontkanmer 10 som går over i en ringkanal 11 som omgir forkammeret 1 furistendig og ringkammeret 4 sSvel som katalysatorinnretningen 2 i det minste over en del av deres utstrekning. Brennstoffet blir i det minste delvis fordampet ved en første varmekilde 12 anordnet i ringkanalen 11, og i forkammeret 1 blir det ved en første homogeniseringsinnretning 13, f.eks. en hvirvelblender,

blandet med primærluf ten, som forvarmes med en annen varmekilde B anordnet i ringkammeret 4. Den i katalysatorinnretningen 2 produ-serte brenngass blir ledet inn i blandekammeret 3 og der ved en annen homogeniseringsinnretning, f.eks. en ytterligere hvirvelblender, blandet med tilført sekundærluft.

I forbindelse med en fordelaktig videreutvikling av en slik forgassningsbrenner blir det i den eldre patentsøknad videre foreslått at reaktorkammeret 2 (katalysatorinnretningen) oppviser en katalytisk inaktiv beholder A, i hvis endevegger der er anordnet innløpsboringer 14 og utløpsboringer 15. Videre kan der mellom blandekammeret 3 og tennkammeret 7 være anordnet en perforert skive 16 som tilbakeslagssikring. Tennkammeret 7 kan utover dette være adskilt fra brennkammeret 8 ved hjelp av en perforert vegg 17. For tilførsel av brennstoffet til ringkanalen 11 (fordampningskammer) er der anordnet en brennstoff-tilslutningsstuss 19,for tilførsel av sekundærluft til blandekammeret 3 en sekundærluft-tilslutningsstuss 23,og for tilførsel av primærluft til ringkammeret 4 (forvarmingskam-mer) en primærluft-tilførselsstuss 26. Videre er der til veggen av tennkammeret 7 festet en ytterligere stuss 27 for en tenninnretning.

I blandekammeret 3 kan der fordelaktig være anordnet en katalytisk inaktiv foring C, f.eks. av keramikk.

Den foreslåtte forgasningsbrenners hus er fordelaktig sammen-satt av flere deler, f.eks. av en sylindrisk første husdel 18 som omslutter første trinn og har et frontdeksel 20, en sylindrisk midtre del 21 som omgir blandekammeret 3,og en sylindrisk endedel 25 som bærer den koniske utvidelse som omslutter brennkammeret 8. Hus-delene er fortrinnsv.is fremstilt av metall, f.eks. rustfritt stål. Spesielt er veggen 22 mellom blandekammeret 3 og ringkammeret 4 utfor-met varmeledende for å skaffe en forvarming av primærluften i forbrenningsdelen.

Det har å vist seg at den foreslåtte forgasningsbrenner i mange tilfeller er utsatt for driftsforstyrrelser. F.eks. ved et forbi-gående brudd i brennstofftilførselen foregår der i én kort periode ingen forbrenning i forbrenningsdelen. Den tilførte primærluft blir da ikke tilstrekkelig forvarmet så. katalysatordelen blir:.gjennom~ spylt og avkjølt av kald luft. Ved gjenopprettelse av brennstofftil-førselen arbeider katalysatorinnretningen da ikke tilfredsstillende, slik at brennstoffet bare omsettes ufullstendig til brenngass, og der vii forekomme brennerforstyrrelser,spesielt sotdannelse i forbrenningsdelen. Videre er det riktignok nettopp fordelen ved denne brenner at der ved støkiometrisk lufttilførsel oppnås meget høye for-brenningstemperaturer, men disse høye temperaturer medfører den fare at de anvendte materialer blir ødelagt. Således kan f.eks. brennerplaten 9 eller den perforerte vegg 17 briste, og det kan t.o.m. forekomme at metallhuset åpnes ved sveising. For å unngå denne fare har man ved den brenner som er foreslått i den eldre patentsøknad, festet innretningen med den ende som brennerplaten befinner seg ved, til varmekjelens vegg, så huset sitter utenfor varmekjelen og avkjøles av omgivende luft. Derved er imidlertid brenneren ikke lenger be-røringssikker, idet der ved berøring av brennerhuset består en betyde-lig fare for beskadigelse. De varmetap som derved opptrer ved huset, betyr også en forringelse av brennerens virkningsgrad.

Til grunn for oppfinnelsen ligger den oppgave å øke driftssik-kerheten for en forgasningsbrenner av den innledningsvis angitte art, som bla. oppviser et ringkammer, et blandekammer, et tennkammer og et brennkammer såvel som en med radialkanaler forsynt ringvegg og en brennerplate.

Oppgaven løses ifølge oppfinnelsen ved at ringkammeret også omslutter tennkammeret og det konisk utvidede brennkammer ringformig og strekker seg tett hen til brennerplaten, at en primærluft-til-førselsstuss der munner ut i ringkammeret, at tennkammeret utvider seg konisk i strømningsretningen, at utløpstverrsnittet for tennkammeret er lik innløpstverrsnittet for brennkammeret, og at der i ringkammeret er anordnet ledevegger som léder den primærluftstrøm som skal tilføres fra primærluft-tilførselsstussen til radialkanalene i ringveggen, i en strømningsvei som snor seg spiral-

eller meanderformet rundt brennkammeret og tennkammeret.

Forgasningsbrenneren ifølge oppfinnelsen kan videre fordelaktig være tildannet slik at -tennkammeret er adskilt fra brennkammeret ved en perforert vegg, fortrinnsvis en perforert keramikkplate, og det perforerte areal av brennerplaten er større enn det perforerte areal av den_perforerte vegg;

-der på huset er anordnet en flammeovervåkningsinnretning'rettet

mot den perforerte vegg; -sideveggene av tennkammeret og brennkammeret består av metall og bærer en keramikkforing.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli nærmere beskrevet under henvisning til et utførelseseksempel og to figurer (fig. 2 og 3)

som viser en spesielt foretrukken utførelsesform for oppfinnelsen.

Den forbedring som forgasningsbrenneren ifølge oppfinnelsen innebærer sammenlignet med forgasningsbrenneren ifølge den.eldre patentsøknad, vedrører brennerens forbrenningsdel, d.v.s. blandekammeret 3, tennkammeret 7, brennkammeret 8 og brennerplaten 9 samt de tilhørende husdeler (se fig. 1). Figur 2 viser lengdesnitt gjennom forbrenningsdelen av forgassningsbrenneren ifølge oppfinnelsen. Figur 3 viser tverrsnitt tatt etter linjen III-III på figur 2.

Til forgassningsdelen, som ikke er vist på figurene 2 og 3, slutter seg blandekammeret, som er oppdelt i to delkamre 3<*> og 3" ved hjelp av en homogeniseringsinnretning (hvirvelblender 24' med skrå-slisser 30). Til blandekammeret blir der fra forgasningsdelen til-ført brenngass (pil 31) som er blandet med sekundærluft (pil 32). Gjennom en tilbakeslagssikring 16', f.eks. en perforert skive av po-røs keramikk, blir blandingen ført inn i tennkammeret 7'. Derfra strømmer blandingen gjennom en perforert vegg 17<*> som fortrinnsvis er tildannet som en perforert keramikkplate, inn i det konisk utvidede brennkammer 8<*> og gjennom brennerplaten 9'. Under gjennom-strømningen gjennom tennkammeret 7' og brennkammeret 8', spesielt ved gjennomføringen gjennom den perforerte vegg 17' og brennerplaten 9', forbrenner brenngass/luft-blandingén og strømmer inn i innerrommet av en varmekjele, som angitt ved pilene 33. Det nevnte kammer er om-gitt av en massiv husdel 34, hvori der forløper et ringkammer 4<*> som får primærluft tilført via en primærluft-tilførselsstuss 26•.

Den grunnleggende forbedring oppnås ved forgassningsbrenneren ifølge oppfinnelsen ved at ringkammeret 4' også omslutter tennkammeret 7' og brennkammeret 8' og strekker seg nær hen til' brénnerplatért • 9'. Der er primærluft-tilførselsstussen 26' anordnet, slik at primærluft i umiddelbar nærhet av den varme brennerplate 9' kommer i berøring med den oppvarmede husdel 34 og avkjøler huset. I ringkammeret 4' er der anordnet vegger 35 som gjør ringkammeret til en strømningsvei som snor seg spiralformet eller meanderformet rundt brennkammeret 8' og tennkammeret 7'. Denne strømningsvei kan realiseres på den måte at der i husdelen 34 er utfrest et gjengeaktig spor og på husdelen er festet en konisk dekkplate 36. Primærluften som strømmer inn gjennom til-førselsstussen 26', kommer på denne snodde strømningsvei i en intim varmekontakt med husdelen 34 og avkjøler denne før den - ifølge figur 1 - kommer inn i forkammeret 1 gjennom de radiale kanaler 6 i ringveggen 5. Denne utførelse av brenneren ifølge oppfinnelsen • fører på den ene side til en bedre forvarming av primærluften og for-hindrer på den annen side en overoppvarming av husdelen 34, som derfor kan være tildannet av metall, fortrinnsvis rustfritt stål, uten at der ved den høye forbrenningstemperatur oppstår fare for materialmykning.

Ved forgasningsbrenneren

ifølge oppfinnelsen utvider også tennkammeret 7' seg konisk i strøm-ningsretningen, idet tennkammerets utstrømningstverrsnitt er lik brennkammerets innstrømningstverrsnit.t • Spesielt fordelaktig er dessuten tennkammeret 7' adskilt fra brennkammeret 8' ved hjelp av den allerede nevnte perforerte vegg 17', idet det perforerte areal av brennerplaten 9' er større enn det perforerte areal av den perforerte vegg 17'.. Siden strømningstverrsnittet for brenngass/luft- blandingen derved stadig utvider seg mellom blandekammeret 3' og brennerplaten 9', blir den termiske belastning på den perforerte vegg mindre enn ved forgasningsbrenneren ifølge figur 1, og faren for sammen-brudd av denne perforerte vegg ved termiske spenninger er således re-dusert. Det har nemlig vist seg at den perforerte vegg 17' blir spesielt utsatt for høye temperaturer under brennerdrift, noe som kan konstateres ved en lys glødning. For å unngå termisk ødeleggelse er det videre fordelaktig om brennerplaten og.eventuelt også den perforerte vegg 17' er satt sammen av flere piatedeler 37, 38 som holdes sammen ved not og fjær 39.

Brennerhuset hos forgasningsbrenneren ifølge oppfinnelsen

består fortrinnsvis av metall. For å beskytte huset mot termisk ødeleggelse ved høye temperaturer kan videre tennkammeret 7' og brennkammeret 8' være foret med keramikk. Denne keramikkforing består fordelaktig av enkelte keramikkringer 40, 41 som likeledes kan være sam-menholdt ved not og fjær.

En ytterligere forbedring fremkommer ved forgasningsbrenneren ifølge oppfinnelsen ved at der på huset er anordnet en flammeover-våkningsinnretning rettet mot den perforerte vegg 17'. Flåmmeovervåk-ningsinnret.ningen kan være av optisk art. Til dette formål kan f.eks. den ene ende av et overvåkningsrør 4 2 være festet til en gjennom-brytning i tennkammerveggen, mens dets annen ende bærer en på figur 2 ikke vist fotocelle som ved glødning av den perforerte vegg 17' avgir et signal for uforstyrret drift, og ved slukning av den perforerte vegg 17' avgir et forstyrrelsessignal som f.eks. kan brukes til steng-ning av brennstofftilførselen. Eventuelt kan der mellom overvåknings-røret 4 2 og fotocellen være anordnet en lysleder til å beskytte fotocellen mot brennervarmen.

Ved forgasningsbrenneren ifølge oppfinnelsen kan videre husdelen 34 fordelaktig ved den ende som grenser til forgasningsdelen, altså på høyde med blandekammeret være utført med en bred flens 50 som sideveis rager forbi de andre husdeler. Denne flens kan tjene til befestigelse av brenneren til veggen av en varmekjele, idet varme-kjeleveggen er utført med en åpning som brenneren med den i strøm-ningsretning bak flensen liggende husdel kan skyves inn i, og som luk-kes ved hjelp av flensen (gjéngeboringer 43). Brennerens forbrenningsdel er da anordnet i det indre av varmekjelen, slik at den termiske utstråling fra brennerdelen likeledes kan utnyttes til varme-formål. Da den nå i det indre av varmekjelen anordnede husdel blir avkjølt av primærluftstrømmen, er en overoppvarming av denne del ikke å frykte. Primærlufttilførselen finner sted gjennom minst en til-førselskanal 4 5 som strekker seg gjennom flensen til primærluft-til-førselsstussen 26'. Det delrom av ringkammeret 4' som er anordnet i forbrenningsdelen, er via boringer 48 forbundet med den foranliggende del av ringkammeret. Sekundærluften blir tilført gjennom minst en tilførselskanal 46 som på lignende måte strekker seg gjennom flensen og fører til sekundærlufttilslutningen i blandekammeret 3<*>. Videre er der i flensen 50 anordnet gjennombrytninger 47 for innføring av tennelektroder som anordnes ved tennkammerveggen, og eventuelt for en flammeovervåkning.

Som materiale for de keramiske deler kan der ved forgasningsbrenneren ifølge oppfinnelsen benyttes mullit, og fordelaktig kan materialet mullit være blandet med opptil 50 vekt-% Bikorit for øk-ning av varmefastheten. Aluminiumoksyd såvel som aluminiumoksyd-sjamotte-masser (f.eks. såkalte silkjerne-masser) er likeledes egnet. Der kan imidlertid også anvendes andre høyvarmefaste keramikkmate-rialer, f.eks. på zirkondioksydbasis, eller også silisiumkarbid. Fortrinnsvis består brennerplaten og den perforerte vegg av samme materiale som de keramiske foringer.

Dersom primærluftmengden under drift av brenneren ifølge oppfinnelsen innstilles på lufttall fra ca. 0,1 og sekundærluftmengden på lufttall fra ca. 1,0, blir der oppnådd temperaturer på ca. 1740°C. Termiske skader på brennerdeler er imidlertid ikke å frykte til tross' for disse høye temperaturer. P.g.a. bedre forvarming av primærluften og p.g.a. reduksjon av den termiske utstråling blir dessuten bren-

nerens virkningsgrad forbedret.

Claims (3)

1. Forgasningsbrenner med et forkammer til blanding av et i det minste delvis fordampet flytende brennstoff med primærluft, med en katalysatorinnretning som slutter seg til forkammeret og tjener til omforming av damp/luft-blandingen til en brenngass, med et til katalysatorinnretning grensende blandekammer til blanding av brenngassen med sekundærluft, med et ringkammer som omgir forkammeret, katalysatorinnretningen og blandekammeret konsentrisk og er skilt fra forkam-

meret ved en ringvegg, med et kammer som utvider seg konisk, med en perforert brennerplate av porøst materiale som avgrenser.det konisk ut-vidende rom, og som brenngass/luft-blandingen kan tilføres fra blandekammeret, med et foran forkammeret anordnet frontkkmmer som går over i en ringkanal som omgir forkammeret fullstendig og ringkammeret såvel som katalysatorinnretningen i det minste delvis, en i ringkanalen anordnet varmekilde til fordampning av brennstoffet, en-i ringkammeret anordnet varmekilde til forvarming av primærluften under start-forløpet og til understøttelse ved belastningsendring, med radialkanaler som er anordnet i ringveggen og forbinder ringkammeret med forkammeret, med en i forkammeret og en i blandekammeret anordnet homogeniseringsinnretning, og med et tennkammer som er anordnet mellom brennkammeret og blandekammeret og er skilt tilbakeslags-fritt fra blandekammeret, karakterisert ved at ringkammeret (4') også omslutter tennkammeret (7') og det konisk utvidede brennkammer (8<1>) ringformig og strekker seg tett hen til brennerplaten (9<1>), at en primærluft-tilførselsstuss (26<*>) der munner ut i ringkammeret (4'), at tennkammeret (7') utvider seg konisk i strømningsretningen, at utløpstverrsnittet for tennkammeret (7') er lik innløpstverrsnittet for brennkammeret.(8'), og at der i ringkammeret (4') er anordnet ledevegger (35) som leder den primærluftstrøm som skal tilføres fra primærluft-tilførselsstussen (26') til radialkanalene (6) i ringveggen (5), i en strømningsvei som snor seg spiral- eller meanderformet rundt brennkammeret (8') og tennkammeret (7').

2. Brenner som angitt i krav 1, karakterisert ved at tennkammeret (7<1>) er skilt fra brennkammeret (8') ved en perforert vegg (17'), fortrinnsvis en perforert keramikkplate, og at det perforerte areal av brennerplaten (9') er større enn det perforerte areal av den perforerte vegg (17').

3. Brenner som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at sideveggene av tennkammeret (7') og brennkammeret (8') består av metall og er kledd med en keramikkforing.