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Brenner für flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe
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Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden. In diesen zeigen : Fig. 1 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines Brenners gemäss einer bevorzugten Ausführungs- form der Erfindung, Fig. 2 einen horizontalen Querschnitt durch den in Fig. 1 gezeigten Brenner,
Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch den in Fig. 1 gezeigten Brenner, Fig. 4 eine Draufsicht auf den Bren- ner mit Zündrohren, welche nahe der Kante des Brenners enden, Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch den in Fig. 4 gezeigten Brenner, Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Brenner, bei dem die Zündrohre in der
Mitte des Brenners enden, Fig. 7 einen Vertikalschnitt durch den in Fig. 6 gezeigten Brenner, Fig. 8 einen Vertikalschnitt durch einen Flüssigkeitsbrenner gemäss der Erfindung und Fig. 9 eine Seitenansicht einer Wasserwärmvorrichtung, in die ein Brenner gemäss den Fig.
1 bis 8 eingebaut ist.
Bei einem Brenner gemäss der Erfindung ist eine Anzahl von Verbrennungsluftrohren vorgesehen, die
Verbrennungsluft zu einer Verbrennungszone leiten, wobei die genannten Rohre durch eine Brennstoff- kammer geführt sind, die in a) einenunbepacktenBrennstoffraum, welcher dem Brennstofffluss durch den Brenner einen geringen
Widerstand entgegensetzt, und in b) einenbepacktenBrennstoffraum, in welchem die Packung zur Steuerung des Brennstoffflusses ge- gen die Brennstoffzone hin dient, unterteilt ist.
Der erstere dieser Brennstoffräume (von nun an"Brennstoffeinlassraum"genannt) ist unbepackt und wird an eine Brennstoffzuleitung angeschlossen und der letztere dieser Brennstoffräume (von nun an "Brennstoffauslassraum" genannt) ist bepackt und steht mit der Verbrennungszone in Verbindung, wodurch während des Betriebes des Brenners Luft durch die Verbrennungsluftrohre in die Verbrennungszone strömt, wo sie mit dem Brennstoff reagiert, welcher durch die Folge von einem unbepackten und einem bepackten Raum und schliesslich zur Verbrennungszone strömt.
Die Packung ist in geeigneter Weise auf einer Platte abgestützt, die sich quer durch die Brennstoff- kammer erstreckt, und welche den Durchsatz von Treibstoff gestattet. Diese Platte kann z. B. aus Gewebe, gelochtem Material und aus einer Platte bestehen, welche ringförmige Brennstoffdurchlässe rund um die Verbrennungsluftrohre aufweist. In bestimmten Fällen kann die Packung genügend mechanischen Zusammenhalt aufweisen, so dass sich die Verwendung einer Platte erübrigt.
Zylindrische Rohre sind als Verbrennungsluftrohre besonders geeignet. Sehr günstig ist es, wenn die Verbrennungsluftrohre mit ihren Achsen parallel zueinander angeordnet sind.
Der Brennstoffstrom aus einem Brenner wie er oben beschrieben wurde, neigt dazu, sich mit dem Luftstrom aus den Verbrennungsluftrohren auszurichten. Dadurch ergibt sich im allgemeinen eine zufrie- denstellende Verbrennung, aber wo sehr grosse Brennstoffdurchflussmengen erforderlich sind, kann eine bessere Verbrennung erzielt werden, wenn der Brennstoffstrom in die aus den Verbrennungsluftrohren strömende Verbrennungsluft abgelenkt wird. Wo dies erforderlich ist, kann der Brenner eine über den Brennstoffauslassraum angeordnete Leitfläche aufweisen.
Folgende zwei Konstruktionen sind besonders geeignet für die Verwendung am Einlassende der Verbrennungsluftrohre :
Konstruktion A :
Die Verbrennungsluftrohre sind mediumdicht in Löcher einer Lufteinlasszonenplatte eingesetzt, die eine Wand des Brennstoffeinlassraumes bildet.
Konstruktion B :
Die Verbrennungsluftrohre haben einen gleichförmigen Vielecksquerschnitt, z. B. den Querschnitt eines gleichseitigen Dreieckes, Viereckes oder regelmässigen Sechseckes und die Wände des Vieleckes sind aneinander mediumdicht befestigt.
Im Falle von Brennern für gasförmige Brennstoffe setzen die bepackten Brennstoffräume der Brennstoffströmung einen hohen Widerstand entgegen (dies schliesst mit ein, dass keine Kanäle niedrigen Widerstandes, z. B. rund um die Verbrennungsluftrohre belassen werden) und die Kombination von niedrigem und hohem Widerstand bewirkt eine gleichmässige Brennstoffverteilung. Die Packung besteht vorzugsweise aus porösem Material, wie etwa Partikelmaterial, z. B. ein Pulver, dessen Partikelgrösse und Partikeldichte so gewählt ist, dass es der Brennstoffströmung den erforderlichen hohen Widerstand entgegensetzt. Die Partikel können z. B. durch Drucksintern, Wärmesintern, die Verwendung eines Bindemittels oder irgendeine Kombination dieser Techniken miteinander verbunden werden.
Der erfindungsgemässe Brenner kann bei Verwendung für gasförmige Brennstoffe ein oder mehrere Zündrohr enthalten, die im Brennstoffauslassraum enden, wobei die Zündrohr in ihrer Grösse so bemessen sind, dass sie während des Betriebes genügend Brennstoff liefern, um eine Stichflamme für die Wiederzündung zu bilden.
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Vorzugsweise endet dabei das Zündrohr oder jedes Zündrohr, wenn mehr als eines vorhanden ist, nahe der Grenze zwischen dem Brennstoffauslassraum und der benachbarten unbepackten Zone.
Bei der Herstellung eines Brenners ist es günstig, wenn das Zündrohr oder jedes Zündrohr, wenn mehr als eines vorhanden ist, nahe der Kante des Brenners endet. Wenn es erwünscht ist, ein Zündrohr in der
Mitte des Brenners enden zu lassen, kann es durch eine unbepackte Zone gehen, vorausgesetzt, dass es in der bepackten Auslasszone endet.
Im Falle eines Brenners für flüssigen Brennstoff (wo kein hoher Widerstand für die Brennstoffströ- mung wichtig ist) überträgt die Packung im Brennstoffauslassraum den Brennstoff durch Oberflächenspan- nung (d. h. sie wirkt als Docht). Es ist zweckmässig, zwei Mechanismen der Brennstoffübertragung zu unterscheiden. Beim ersten Mechanismus bildet die Packung (welche nicht porös zu sein braucht) Kapillar- kanäle, z. B. zwischen benachbarten Packungselementen und/oder zwischen der Packung und den Ver- brennungsluftrohren. Beim zweiten Mechanismus ist die Packung porös und die Übertragung wird in der
Weise erreicht, wie ein Schwamm Wasser aufsaugt.
Beide Mechanismen können gleichzeitig arbeiten.
Was die Brennstoffübertragung anbetrifft, sind alle Packungen für Gasbrenner auch für die Verwendung im Brennstoffauslassraum von Flüssigkeitsbrennern geeignet.
Ein verbesserter Betrieb wird jedoch erreicht, wenn die Packung im Brennstoffauslassraum die Wär- meübertragung zum Brennstoff unterstützt, wodurch die Verdampfung des Brennstoffes in die Verbren- nungszone verbessert wird. Somit ist es vorzuziehen, nicht partikulare Packungen oder partikulare Pak- kungen mit gutem Wärmekontakt zwischen den Partikeln, z. B. jene (welche oben im Zusammenhang mit Gasbrennern erwähnt wurden), bei denen die Partikel z. B. durch Presssintern, Wärmesintern oder durch ein Bindemittel miteinander verbunden sind, zu verwenden.
Zur Optimierung des Betriebes des erfindungsgemässen Brenners sind die Querschnittsfläche der Ver- brennungsluftrohre und die Dichte der Packung wichtig. Die Querschnittsfläche der Verbrennungsluftrohre beeinflusst deren Widerstand gegen den Luftdurchfluss und eine Herabsetzung dieses Querschnittes bringt klarerweise eine Erhöhung des Widerstandes mit sich. Die'Dichte der Packung definiert die Länge der
Diffusionswege und kurze Wege fördern die Mischung von Brennstoff und Sauerstoff ; die Querschnittsflä- cheistauchinsofern wichtig, als sie die Anzahl der Rohre begrenzt, welche in einem vorgegebenen Be- reich gepackt werden können.
Es wurde gefunden, dass optimale Dimensionen erreicht werden, wenn die
Bohrung jedes Verbrennungsluftrohres 0, 01 bis 1 cm2 beträgt, wo es sich zur Verbrennungszone hin öff- net und wenn die Bohrungen wenigstens 25, insbesondere wenigstens 50%, der Oberfläche des der Ver- brennungszone benachbarten Brennstoffauslassraumes einnehmen.
Brenneinrichtungen können einen oder mehrere der oben beschriebenen Brenner enthalten, z. B. einen
Brenner, der in einer Brennkammer montiert ist, die an einen Rauchabzugskanal angeschlossen ist.
Als erstes Beispiel einer solchen Brenneinrichtung soll ein Gerät angeführt werden, das eine Flüssig- keiterwärmen soll, z. B. einen Zentralheizungskessel, der ausserdem einen Wärmeaustauscher aufweist, der so angeordnet ist, dass er Heissgase aufnimmt, wenn die Brennereinrichtung gezündet ist.
Als zweites Beispiel soll ein Wärmestrahlungsbrenngerät angeführt werden, welches ausserdem ein keramisches Element aufweist, das so in seiner Verbrennungszone angeordnet ist, dass bei gezündete
Gerät das Element durch den Verbrennungsvorgang erwärmt wird. Diese Kombination ist besonders für eine Feuerraumkonstruktion geeignet, d. h. die Strahlungselemente bilden die Seiten und/oder den Bo- den und/oder die Decke des Feuerraumes. Es ist klarerweise erwünscht, den Feuerraum in drei Dimen- sionen mit Strahlungselementen zu umgeben, aber es ist erforderlich, eine Öffnung für die Abgase und eine Türe vorzusehen. Wenn erwünscht, kann die Türe die Form einer bewegbaren Brennerelementkom- bination erhalten.
DerindenFig. 1 bis 3 gezeigte Brenner ist ein Gasbrenner, der eine Brennstoffkammer -10- auf-
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-11- geführtso bemessen, dass ein ringföriniger Brennstoffdurchlass-15--um jedes der Verbrennungsluftrohre gebildetist ; diese Anordnungen sind am deutlichsten aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich. Fig. 3 zeigt ausserdem, dass die Verbrennungsluftrohre -11- brennstoffdicht in den kreisförmigen Öffnungen in einer Platte - einer Lufteinlasszone befestigt sind.
Beim Betrieb des Brenners tritt Brennstoff über die Brennstoffzuführleitung-17-in den Brennstoff- einlassraum --12- ein und passiert die Zwischenräume zwischen den Verbrennungsluftrohren-11-.
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stigt die Konstruktion eine gleichförmige Brennstoffzufuhr zur Verbrennungszone.
EinBrenner der oben beschriebenen Type wurde im Laboratorium unter einem 20, 3 cm Rauchabzug getestet, wobei in separaten Tests Methan und Stadtgas als Brennstoff verwendet wurden (Stadtgas hat eine variable Zusammensetzung, aber es enthält immer einen wesentlichen Anteil an Wasserstoff, ge-
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7genseitigen Abstand zwischen den Mittelachsen von 5, 5 mm hatten. Die Gesamtabmessungen des Bren- nersbetrugen45,7 x 25,4 mm bei einer Tiefe von 19 mm. Er wurde mit einem Abstand der Trennwand - zur Verbrennungszone von 9, 5 mm angeordnet. Jedes Verbrennungsluftrohr war durch eine Öff- nung in der Trennwand geführt und die Löcher hatten (ausgenommen an der Kante) einen Durchmesser von 5 mm ; dies ergibt einen gleichmässigen Ringspalt von 0, 15 mm.
Die Öffnungen an den Kanten hatten einen Durchmesser von 4, 8 mm, dies ergibt einen gleichmässigen Ringspalt von 0, 038 mm. Diese
Beschränkung an den Kanten korrigierte das Bestreben, dass mehr Brennstoff an den Kanten der Verbren- nungszone verbrannt wurde. Der Raum zwischen der Trennwand und der Verbrennungszone war mit ge- sintertem Aluminiumoxyd bepackt, das zu einem Pulver mit einer Korngrösse von 1 bis 1, 6 mm (16 bis
25 British mesh) gemahlen war.
Wenn der Brenner auch für gasförmige Brennstoffe gebaut war, war er auch in der Lage Kerosin zu verbrennen (unter einem 43 cm Rauchabzug) : folgende Werte für die maximale Wärmeausbeute (d. h. ohne Flammenabzug vom Brenner im Falle von Methan und Stadtgas) wurden erzielt :
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zone hin direkt offen und die Brennstoffströmung neigte dazu, sich mit der Luftströmung auszurichten.
Es wurde für möglich befunden, die maximale Wärmeausbeute bei Verwendung von Methan durch An- bringen einer Leitfläche (in keiner der Zeichnungen dargestellt) zu erhöhen, wobei die Brennstoffströmung zurLuftströmunghinabgelenkt wurde. Die Leitfläche wurde von einer perforierten Platte gebildet, welche die Oberseite des Brennstoffauslassraumes deckte und die Verbrennungsluftrohre frei liess.
Wenn die
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mitner Seite gedreht wurde. Es ist möglich, dass die Hitze der Flamme ein teilweises Wärmesintern zur Folge hat, wodurch eine besondere mechanische Festigkeit erzielt wird.)
Der in den Fig. 4 und 5 gezeigte Gasbrenner ist dem in den Fig. 1 bis 3 gezeigten ähnlich, doch
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hauptzuführung abgeschaltet ist, sickert Brennstoff vom Zündrohr -18-- durch den Brennstoffauslassraum - 13-nach oben und er verbrennt in der Verbrennungszone. Trotzdem die Flamme an einer Kante der Verbrennungszonegelegenist, sorgt sie dennoch für eine hinreichende Wiederzündung, wenn die Brenn-
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-14- geführtge geeignet ist, welcher einen Brenner enthält, wie er in den Fig. 1 bis 8 veranschaulicht ist.
Der Was- serwärmerenthälteinen Brenner -30-, der an der Unterseite des Verbrennungsraumes-31-an einen
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am Auslass-32-angeschlossenchen über eine Seite des Wärmetauschers-34-, welcher das durch die Rohre-35 und 36-in Umlauf gesetzte Wasser erwärmt. Der Brenner erhält seinen Brennstoff über eine Regeleinrichtung-37-. Im Falle eines Gasbrenners ist die Regeleinrichtung -37- ein Druckkonstanzregler und die Wärmeabgabe wird durch Unterbrechung der Gaszufuhr je nach Bedarf geregelt. Die in den Fig. 4 bis 7 gezeigten Brenner haben Zündflammen ; andernfalls ist eine Zünddüse-38-vorgesehen.
Im Falle eines Flüssigkeitsbrenners kann die Regeleinrichtung-37-entweder ein Strömungs-oder ein Niveauregler sein, der die Brennstoffzufuhr nach den Wärmeerfordernissen regelt.
Die beschriebenen Brenner ergaben mittels eines Diffusionsmechanismus eine Verbrennung mit ruhiger blauer Flamme. In allen Fällen erstreckten sich die Flammen nicht mehr als 5 mm vom Brenner weg.