DE1751648C2

DE1751648C2 - Brenner

Info

Publication number: DE1751648C2
Application number: DE1751648A
Authority: DE
Inventors: William L. Sparta N.J. Buchanan; Harry F. Succasunna N.J. Straight Jun.
Original assignee: Exxon Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 1967-08-29
Filing date: 1968-07-04
Publication date: 1984-01-26
Also published as: NL166114B; DK142822C; DE1751648A1; NO121231B; DK142822B; NL166114C; US3476494A; GB1234455A; FR1584392A; SE386502B; NL6812292A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für flüssigen Brennstoff mit einer feuerfest ausgekleideten kreiszylindrischen Brennkammer, die an ihrem AuslaG-ende eine kreisförmige Auslaßöffnung für die Verbrennungsgase besitzt und mil ihrem Einlaßende mittels eines stromab konisch erweiterten Abschnittes gleichachsig an eine kreiszylindrische Wirbelkammer angeschlossen ist, in die über Luftschlitze aus einer die Wirbelkammer umgebenden Luftzufuhrkammer Verbrennungsluft tangential eingeleitet wird und in der gleichachsig ein Düsenstock mit einer einen kegelförmigen Brennstoffstrahl erzeugenden Einspritzdüse angeordnet ist, deren Auslaß im Bereich des der Brennkammer zugewandten Endes der Wirbelkammer liegt.

Bei Brennern dieser Art ivgl. US-PS 28 06 517) ist die kreiszylindrische Wirbelkammer im Bereich ihres Anschlußendes an den konisch erweiterten Abschnitt der Brennkammer düsenartig eingeschmürt und die Einspritzdüse des Düsenstockes etwas zurückgesetzt angeordnet Aufgrund dieser Ausbildung entstehen im Betrieb im Zusammenwirken mit dem relativ großen Winkel des sich konisch erweiternden Abschnittes zwei Wirbelsysteme, die eine relativ gute Verbrennung gewährleisten.

Von Nachteil ist jedoch, daß diese Ausbildung bei derartigen Brennern einen relativ hohen Druckabfall im Übergangsbereich zwischen der Wirbel- und der Brennkammer hervorruft, so daß es zu einer verstärkten Geräuschbildung kommt and die Flammstabilität nicht sehr hoch ist

Effekte der eben beschriebenen Art treten auch bei Brennern ohne düsenarüge Einschnürung der Wirbelkammer im Bereich des Anschlußendes auf (vgL DE-PS 11 57 333). Dies ist darauf zurückzuführen, daß die bei derartigen Brennern im Übergangsbereich zwischen der Wirbel- und der Brennkammer angeordnete Ringblende eine Einschnürung des Verbrennungslufi-Wirbels erzeugt, der die gleiche Wirkung hervorruft

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Brenner derart weiterzubilden, daß bei hoher Flammstabilität sowohl Druckabfall als auch Geräuschentwicklung vermindert sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wirbelkammer über ihre gesamte Länge einen im wesentlichen gleichbleibenden Durchmesser aufweist, daß der Durchmesser der Einlaßöffnung der Brennkammer dem im wesentlichen gleichbleibenden Durchmesser der Wirbelkammer entspricht und daß der konisch erweiterte Abschnitt der Brennkammer einen Winkei einschließt, der im wesentlichen dem öffnungs-

' winkel des kegelförmigen Brennstoffstrahles entspricht Durch die erfindungsgemäßen Merkmale ist ein Brenner geschaffen, bei dem das in der Wirbelkammer erzeugte Wirbelsystem im kritischen Bereich bei seinem Übertritt in die Brennkammer genau geführt und der Brennstoff an einer Stelle zugeführt wird, an der eine optimale Verteilung der Brennstofftröpfchen in der Verbrennungsluft erreicht wird. Auf diese Weise wird ein geringer Druckabfall bei maximaler Verwirbelung und eine hohe Flammstabilität bei guter Verbrennung erzielt Eine relativ geringe Geräuschentwicklung bei optimalen Verbrennungsergebnissen ist die Folge.

Zwar ist aus der Literatursteüe C. H. Burkhardt »DOMESTIC OIL BURNERS«, McGraw-Hill Book Company, Inc. 1951 Seite 97, Fig. 104, bereits eine Brennkammer mit Seitenwänden bekannt die etwa im Winkel des Brennstoffkegels stromab divergieren und in die stromauf ein die Brennstoffzuführung umgebendes Luftzuführrohr einmündet Die Seitenwände sind jedoch bei dieser bekannten Brennerkonstruktion eben und flügelartig ausgebildet, so daß keine kreiszylindrische Brennkammerausbildung vorliegt, die zu den oben geschilderten Ergebnissen führen könnte.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ausbildung ist ferner, daß der Brenner technisch einfach aufgebaut ist und deshalb wirtschaftlich hergestellt werden kann.

Besonders gute Ergebnisse werden erreicht wenn der eingeschlossene Winkel des konisch erweiterten Abschnittes etwa 90° bis 100° beträgt

Eine besonders vorteilhafte Wirbelausbildung in der Wirbelkammer wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dann erreicht, wenn im hinteren, der Brennkammer abgewandten Bereich der Wirbelkammer ein Konus mit einer Vielzahl durchgehender öffnungen angeordnet ist
Generell werden besonders gute Ergebnisse bei Brennern erreicht, deren Leistung in der Größenordnung von 12 bis 13 · 16⁶ kcal pro Stunde liegt

Im folgenden sind zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.

F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brenners in einem Längsschnitt in der Ebene 1-1 der F ig. 2.

F i g. 2 zeigt eine teilweise geschnittene Stirnansicht des Brenners gemäß F i g. 1 in der Ebene 2-2 der Fi g. 1.

F i g. 3 zeigt einen Schnitt in der Ebene 3-3 der F i g. 1.

F i g. 4 zeigt einen Schnitt in der Ebene 4-4 der F i g. 3.

Fig.5 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Wirbelkammer eines erfindungsgemäßen Brenners.

Fig.6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäfen Brenners in einer der F i g. 1 entsprechenden Darstellung, und ι π

Fig.7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Wirbelkammer.

In den Zeichnungen ist ein allgemein aiit 10 bezeichneter Brenner in einer an >icb b* -^-iten Ofenwandung 12 über einen Ringfläüsch 20 _. iagert Um den Spalt zwischen der Öffnung in tie- -I vnwand und dem Außendurchmesser des Bresr·.;^ :5 abzudichten, wird an dieser Stelle eine ds—«e Schicht einer Asbestdichtung 22 verwende? ^er Ofen, von dem die Wand 12 lediglich einen THI οι..' \ weist einen mit 14 bezeichneten Brennkammerbereich auf. Der Brenner 10 umfaßt eine Brennkammer 16, die von einem metallischen Außenmantel 18 umgeben isL Innerhalb des Außenmantels 18 ist eine Vielzahl von Schichten 24 aus feuerfestem, wärmeisolierendem Material angeordnet

Das Luft- und Brennstoffeinlaßende 30 des Brenners 10 besitzt eine mit üblichen Einrichtungen an einen Flansch 34 des Außenmantels 18 befestigte Stirnplatte. An der Innenfläche der Stirnplatte 32 üb?r eine Schweißnaht 42 ist eine Wirbelkammer 38 befestigt Die jo Wirbelkammer 38 erstreckt sich von der Platte 32 quer und durch eine Luftzufuhrkammer 36 hindurch und mündet in eine Einlaßöffnung 27 der Brennkammer 16 im Bereich eines konisch erweiterten Abschnittes 26 ein. Das offene Ende der Wirbelkammer 38 wird im Bereich der Einlaßöffnung 27 durch einen Ring 28 getragen, der aus Asbest oder einem anderen ähnlichen Material bestehen kann.

In den F i g. 2. 4 und 5 sind Konstruktionsdetails der Wirbelkammer 38 dargestellt Die Wirbelkammer 38 weist eine Vielzahl von tangential ausgerichteten Einlaßdüsen 40 auf, denen Druckluft von einem nicht dargestellten Gebläse zugeführt wird, das mit einem Lufteinlaßflansch 41 der Luftzufuhrkammer 36 in Verbindung steht. Durch die tangentiale Einleitung wird der Verbrennungsluft eine Wirbelbewegung verliehen, die bis in die Brennkammer hineinreicht im Inneren der Wirbelkammer 38 ist ein Düsenstock 44 angeordnet, der mit einer Anzahl von Schrauben 46 an der Stirnplatte 32 festgelegt ist. Die Schrauben 46 sind derart angeordnet. daß eine am Ende des Düsenstocks angeordnete Einspritzdüse 48 axial einsteilbar ist. Die Einspritzdüse 48 ist derart ausgebildet, daß sie im Betrieb einen kegelförmigen Brennstoffstrahl erzeugt Durch die axiale Einstellbarkeit kann dieser kegelförmige Brennstoffstrahl der Einspritzdüse in eine optimale Stellung gegenüber dem konisch erweiterten Abschnitt 26 der Brennkammer gebracht werden.

Das innere Ende des Düsenstocks 44 wird von einem in der Wirbelkammer angeordneten Konus 50 getragen, _bQ der eine Vielzahl durchgehender öffnungen 52 aufweist. Der Konus 50 stützt das innere Ende des Düsenstocks 44 ab und verhindert, daß heiße Verbrennungsprodukte unter Rezirkulation zur Flamme in die Wirbelkammer gelangen, wodurch der hintere Teil des Brenners geschützt wird. In der Außenwand der Brennkammer 16 ist ein Schauloch 54 angeordnet, durch das die Verbrennung beobachtet werden kann. Eine ähnliche Inspektionseinrichtung ist in der Platte 32 angeordnet wodurch es möglich ist, die Flamme in Axialrichtung zu beobachten. Die Beobachtung der Flamme durch das Schauloch 54 in der Platte 32 erfolgt über öffnungen 52 im Konus 5Ö, die hierfür mit einem ausreichenden Durchmesser ausgestattet sind.

jede der Einlaßdüsen 40 umfaßt ein Paar von benachbarten senkrechten Seitenwänden 56 sowie ein Paar konvergierender Seitenwände 58, die ebenfalls einander benachbart sind. Auf diese Weise wird in den Einlaßdüsen 40 ein minimaler Druckabfall erzielt in Kombination mit dem im wesentlichen konstanten und gleichförmigen Durchmesser der Wirbelkammer 38 ist ein Brenner geschaffen, der extrem niedrige Leistungsforderungen bezüglich der Einlaßluft sowie einen hohen Verbrennungswirkungsgrad aufgrund der optimierten Lage des Brennstoffdüsenstrahles rel? tiv zum expandierenden Wirbel der Verbrennungsluft aufweist. Wesentlich ist dabei, daß der kegelförmige Brennstoffstrahl der Einspritzdüse des Düsenstocks 44 im wesentlichen einen Öffnungswinkel aufweist der dem Winkel des konisch erweiterten Abschnittes 26 entspricht Vorzugsweise wird dieser Winkel zwischen 90 und 100° betragen.

Der konisch erweiterte Abschnitt 26 trägt in merklicher Weise zur Flammstabilität bei, formt das Wirbelsystem der Verbrennungsluft und verlängert die Wirbelbewegung in der Brennkammer Zusätzlich hindert der konisch erweiterte Abschnitt 26 die aus der Wirbelkammer austretende Verbrennungsluft daran, in einen zu großen Winkel zu expandieren, was zu einer schlechten Brennstoff-Luftvermischung führen würde. Mit anderen Worten: der konisch erweiterte Abschnitt 26 bietet eine obere Grenze für den Divergenzwinkel, den die aus der Wirbelkammer 38 austretende Verbrennungsluft annehmen kann. Dieses Merkmal in Kombination mit dem konstanten Durchmesser Her Wirbelkammer 38 sorgt für einen neuen und verbesserten Lrenner mit wesentlich verbesserten Verbrennungseigenschaften.

In den F i g. 6 und 7 ist eine modifizierte Ausführungsform eines Brenners offenbart Der Brenner nach den Fig. 6 und 7 weist eine modifizierte Wirbelkammer 60 mit einer Vielzahl Tangentialdüsen 62 auf, die nicht konvergierend ausgebildet sind. Die Querschnittsfläche der Düsen 62 ist somit gleichförmig ausgebildet. Auf diese Weise erzeugt — bei geringfügig höherem Druckabfall als beim Konvergenzauerschnitt der F i g. 4 und 5 der ersten Ausführungsform — diese modifizierte Düsenauslegung eine höhere Tangentialgeschwindigkeit. D^:e Brennkammer 16 des Brenners nach F i g. 6 ist konisch ausgebildet und besitzt eine verengte Auslaßöffnung 68. die durch eine vergrößerte und konvergierende Dicke des zusätzlichen feuerfesten, mit 64 bezeichneten Materials gebildet wird. Auf diese Weise werden höhere Auslaßgeschwindigkeiten erzeugt als dies im Falle der Ausführungsform nach F i g. 1 der Fall ist Vorzugsweise ist der Durcnmesser der Auslaßöffnung 68 kleiner als die Hälfte der Axiallänge des konvergierenden Teils der Brennkammer 16. Dieses Verhältnis von Durchmesser zu .Länge stellt sicher, daß ein wohl definierter stabiler Flammstrah! erzeugt wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brenner für flüssigen Brennstoff mit einer feuerfest ausgekleideten kreiszylindrischen Brennkammer, die an ihrem Auslaßende eine kreisförmige Auslaßöffnung für die Verbrennungsgase besitzt und mit ihrem Einlaßende mittels eines stromab koniscb erweiterten Abschnittes gleichachsig an eine kreiszylindrische Wirbelkammer angeschlossen ist, in die über Luftschlitze aus einer die Wirbelkammer umgebenden Luftzufuhrkammer Verbrennungsluft tangential eingeleitet wird und in der gleichachsig ein Düsenstock mit einer einen kegelförmigen Brennstoffstrahl erzeugenden Einspritzdüse angeordnet ist, deren Auslaß im Bereich des der Brennkammer zugewandten Endes der Wirbelkammer liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer (38) über ihre gesamte Länge einen im wesentlichen gleichbleibenden Durchmesser aufweist, daß der Durchmesser der Einlaßöffnung (27) der brennkammer (16) dem im wesentlichen gleichbleibenden Durchmesser der Wirbelkammer (38) entspricht und daß der konisch erweiterte Abschnitt (26) der Brennkammer (16) einen Winkel einschließt, der im wesentlichen dem Öffnungswinkel des kegelförmigen Brennstoffstrahles entspricht.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeschlossene Winkel des konisch erweiterten Abschnitts (26) etwa 90° bis 100° beträgt

3. Brenne: nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß im hinteren, der Brennkammer (16) abgewandten Bereich der Wirt .!kammer (38) ein Konus (50) mit einer ^vielz hl durchgehender Öffnungen (52) angeordnet ist.