DE2054608C3 - Brenneranordnung in Wärmöfen, insbesondere Tiefofen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brenneranordnung in Wärmöfen, insbesondere Tiefofen, mit zwei Brennern, die je eine Brennstoffzuleitung und eine Luftzuleitung aufweisen und mit automatisch in Abhängigkeit von der Temperatur im Ofenraum gesteuerten Regelungsvorrichtungen für die Luft- und Brennstoffzuleitungen versehen sind.

Es ist bekannt, Tiefofen mit einer Vielzahl von Brennern auszurüsten, die während der Aufheizperiode zwecks schneller Aufheizung der Ofenkammer und der in ihr lagernden Metallteile, insbesondere Stahlblöcke, mit Vollast, also maximaler Leistung gefahren werden. Sobald die Spitzentemperatur erreicht ist, die Stahlblöcke also oberflächlich z. B. die Walztemperatur erreicht haben, wird in der anschließenden Durchwärmungsperiode die Brennerleistung gedrosselt, um den Ofen auf der Temperatur zu halten, bei der die Blöcke durchgehend erhitzt werden. Weil bei der verringerten Brennerleistung abei nicht alle Partien des Ofens gleichmäßig von den Verbrennungsgasen durchströmt werden, mithin entsprechende lokale Temperaturunterschiede auftreten, ist es dabei auch bereits bekannt (DE-AS 1219505), mit einer Mehrzahl von Brennern zu arbeiten, von denen mindestens einer ein sogenannter Hochgeschwindigkeitsbrenner ist, durch dessen Brennerdüsen Verbrennungsluft mit einer Geschwindigkeit von mindestens 60 m/sec strömt. Auch hier werden während der Aufheizperiode alle Brenner mit Vollast gefahren, während bei Beginn der Durchwärmperiode einige Brenner abgeschaltet werden, hingegen der oder die Hochgeschwindigkeitsbrenner mit Vollast weiterbetrieben werden, um auf diese Weise eine bessere Turbulenz und Verteilungsgleichmäßigkeit der Verbrennungsgase und damit auch eine möglichst einheitliche Temperatur in der Ofenkammer zu erreichen. Wegen der örtlich unterschiedlichen Anbringung dieser Brenner ist aber auch damit eine wirklich gleichmäßige Durchströmung der Ofenkammer mit den Verbrennungsgasen während der Durchwärmperiode und damit eine überall gleichmäßige Temperaturverteilung noch nicht zu erreichen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brenneranordnung für Wärmöfen, insbesondere Tiefofen, zu schaffen, die bei einfacher Bauart du gleichen räumlichen Verhältnisse für die Ausbildung der Turbulenz der Verbrennungsgase und damit auch eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Ofenraum sowohl in der Aufheizperiode als auch insbesondere in der Durchwärmperiode zu erzielen erlaubt. Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Brenneranordnung der eingangs erwähnten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden Brenner in einem gemeinsamen Brennerkopf vereinigt und koaxial zu- und ineinander mit konzentrischen ringförmigen Austrittsmündungen bzw. Düsenkränzen für Brennstoff und Verbrennungsluft angeordnet sind. Durch diese Anordnung werden in Verbindung mit einer einfachen und gedrungenen Konstruktion dieselben räumlichen bzw. geometrischen Verhältnisse für die Ausbildung der Turbulenz der Verbrennungsgase im Ofenraum sowohl in der Aufheizperiode bei gleichzeitigem Betrieb beider Brenner, als auch in der anschließenden Durchwärmungsperiode beim Betrieb eines einzigen Brenners beibehalten. Bei dieser Ausbildung brauchen am Ende der Aufheizperiode nur die Drosselorgane in den Brennstoff- und Liiftzuleitungen des einen Brenners gleichzeitig geschlossen zu werden, wodurch sich der Druck in den Brennstoff- und Lvitzuleitungen des anderen, örtlich an gleicher Stelle gelegenen Brenners bei unverändert weiterlaufenden Brennstoff- und Luftgebläsen automatisch erhöht und somit eine wirksame gleichmäßige Durchströmung des Ofenrauminneren von den Verbrennungsgasen mit überall gleichmäßiger Temperaturverveilung erreicht wird.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 die Brenneranordnung an einem Tiefofen in schematischer Darstellung,

Fig. 2 den Brennerkopf mit zwei koaxialen Brennern im Längsschnitt,

Fig. 3 einen Aufriß des Brennerkopfes, gesehen von der rechten Seite der Fig. 2, und

Fig. 4 einige Kennkurven zum Betriebsverhalten der Brenneranordnung während der Aufheiz- und Durchwärmungsperiode.

In Fig. 1 ist ein Tiefofen 1 mit der Deckplatte 101 und dem in der Esse 2 ausmündenden Rauchgasabzug 3 schematisch dargestellt. Der Tiefofen 1 wird mit Hilfe einer Brenneranordnung beheizt, die in Fig. 1 schematisch und in den Fig. 2 und 3 in einer bevorzugten konstruktiven Ausbildung dargestellt ist. Diese Brenneranordnung besteht aus mindestens einem ir> der Seitenwand des Tiefofens 1 vorgesehenen Brennerkopf 4, dem zwei koaxial zu- und ineinande- angeordnete, mit einem Gemisch aus gasförmigem Brennstoff z. B. Koksofengas und Verbrennungsluft betriebene Brenner zugeordnet sind.

Die beiden Brenner besitzen eine Luftkammer 5 und drei in dieser Luftkammer koaxial zu- und ineinander mit gegenseitigem radialem Abstand angeordnete Rohre 6,7 und 8. Die Luftkammer 5 ist einerseits mit einer Luftzuleitung 9 verbunden und steht andererseits mit einem im Brennerkopf 4 vorgesehenen Kranz 10 von Luftaustrittsdüsen in Verbindung. Diese Luftaustrittsdüsen sind konvergent gegen die Längsachse des Brenners geneigt und gleichzeitig auch schief zu dieser Längsachse, d. h. gleichsinnig in Umfangsrichtung schräg zu den betreffenden Radialebenen gerichtet, wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich ist. Das äußere Rohr 6 ist mit einer Brennstoffzuleitung 11 verbunden und mündet in einer zentralen Austrittsöffnung 12 des Brennerkopfes 4 aus. Die beiden anderen koaxialen Rohre 7 und 8 münden

ebenfalls in der zentralen Austrittsöffnung 12 des Brennerkopfes 4 aus, wobei das zwischenliegende Rohr 7 über einen Krümmer 13 mit einer Luftzuleitung 14 und das innerste Rohr 8 mit ei tier Brennstoffzuleitung 15 verbunden ist. Die Luftkammer 5 mit den Luftaustrittsdüsen und das äußere Brennstoffrohr 6 bilden den ersten, äußeren Brenner, dem die Luft- und Brennstoffzuleitungen 9 und 11 zugeordnet sind. Das zwischenliegende Luftrohr 7 und das innerste Brennstoff rohr 8 bilden den zweiten, inneren Brenner mit den zugeordneten Luft- und Brennstoffzuleitungen 14 und 15.

Die Luftzuleituagen 9,14 sowohl des äußeren als auch des inneren Brenners 5 und 6 bzw. 7 und 8 sind gemäß Fig. 1 über eine Luftsammelleitung 16 mit einem gemeinsamen Luftgebläse 17 verbunden. Die Brennstoffzuleitungen 11 und 15 beider Brenner 5 und 6 bzw. 7 und 8 stehen über eine Brennstoff-Sammelleitung 18 mit einem gemeinsamer. Brennstoffgebläse 19 in Verbindung. In der Luftzuleitung 9 und in der Brennstoffzuleitung 11 des äußeren Brenners 5, 6 ist je sin Drosselorgan 20 bzw. 21 vorgesehen. Die Luft- bzw. Brennstoff-Sammelleitungen 16 bzw. 18 weisen ebenfalls je ein Drosselorgan 22 bzw. 23 auf. Die Drosselorgane 20, 21, 22, 23 werden durch zugeordnete, elektrische Stellmotoren 120 bzw. 121, 122,123 betätigt. Die Stellmotoren 120 und 122 der Drosselorgane 20 und 22 in der Luftzuleitung 9 des äußeren Brenners 5 und 6 bzw. in der den beiden Brennern 5 und 6 sowie 7 und 8 zugeordneten Luftsammelleitung 16 werden von einem auf die Temperatur der Innenwandung des Tiefofens 1 ansprechenden Temperaturfühler 24 über einen thermoelektrischen Wandler 25 und eine an sich bekannte Steuervorrichtung 26 gesteuert.

In den Saugleitungen 117 und 119 der Luft- und Brennstoffgebläse 17 bzw. 19 ist je ein an sich bekanntes Durchflußmeßgerät 27 bzw. 29 vorgesehen. Diese Meßge/äte 27,29 sind über je einen zugeordneten Wandler 127 bzw. 129 mit einem ebenfalls an sich bekannten Regler 28 verbunden, der den Stellmotor 121 des Drosselorgans 21 in der Brennstoffzuleitung 11 des äußeren Brenners 5 und 6 und den Stellmotor 123 des Drosselorgans 23 in der den beiden Brennern 5 und 6 sowie 7 und 8 zugeordneten Brennstoff-Sammelleitung 18 steuert. Der Regler 28 ist dabei so ausgebildet, daß er bei Schwankungen der Durchflußmengen in der> Saugleitungen 117,119 der Luft- und Brennstoffgebläse 17,19 und insbesondere bei Änderungen der Luftdurchflußmenge in der Saugleitung 117 des Luftgebläses 17 durch Betätigung der Drosselorgane 21, 23 ein vorbestimmtes, ein- und nachstellbares Brennstoff-Verbrennungsluft-Verhältnis in beiden koaxialen Brennern aufrechterhält.

Der Betrieb der Brenneranordnung nach den Fig. 1 bis 3 zum Erhitzen von im Tiefofen 1 befindlichen Metallteilen, insbesondere Stahlblöcken, sei anhand der Fig. 4 beschrieben, in der in Abhängigkeit der Zeit Tdie folgenden Kennkurven aargestellt sind:

Kurve H - Druck des Brennstoffs und der Verbrennungsluft im äußeren Brenner 5 und 6 in mm Wassersäule,

Kurve K - Druck des Brennstoffs und der Verbrennungsluft im inneren Brenner 7 und 8, in mtn Wassersäule,

Kurve L - gesamte Zuflußmenge an Brennstoff und Verbrennungsluft in beiden Brennern 5 und 6 bzw. 7 und 8, in Prozent der gesamten Brennstoff-

und Verbrennungsluft-Zuflußmenge bei voller Leistung beider Brenner,

Kurve M - Temperatur der Verbrennungsgase im Tiefofenraum in ° C, und

Kurve /V - Temperatur der Innenwandung des Tiefofenraumes in ° C.

Die Aufheizperiode A des Tiefofens erstreckt sich bis zum Zeitpunkt 71 und anschließend beginnt die Durchwärmungsperiode D. Mit S ist die höchst zulässige Oberflächentemperatur der Stahlblöcke angegeben, d. h. die Temperatur, bei der die Oberflächen der Blöcke zu schmelzen beginnen.

Am Anfang der Aufheizperiode A sind die Drosselorgane 20,21 in den Luft- und Brennstoffzuleitungen 9, 11 des äußeren Brenners 5 und 6 geöffnet. Beide Brenner 5 und 6 bzw. 7 und 8 arbeiten mit voller Leistung. Die Drosselorgane 22 und 23 in den Luft- und Brennstoff-Sammelleitungen 16,18 sind dermaßen geöffnet, daß einerseits das eingestellte Brennstoff-Verbrennungsluft-Verhältnis und andererseits die zum Höchstleistungsbetrieb beider Brenner 5 und 6 und 7 und 8 erforderliche Gesamtzuflußmenge an Brennstoff und Verbrennungsluft erzielt werden. Der Druck in den Luft- und Brennstoff-Sammelleitungen 16, 18 und in den davon abgezweigten Luft- und Brennstoffzuleitungen 9,11 bzw. 14,15 beider Brenner 5 und 6 bzw. 7 und 8 ist dabei so groß, daß die drucksbhängige, entsprechend große Einlaufgeschwindigkeit des Brennstoffs und der Verbrennungsluft in den Tiefofen 1 eine starke Turbulenz der Verbrennungsgase und infolgedessen eine gleichmäßige Verteilung der Verbrennungsgase und der Temperatur im Ofenraum bewirkt.

In der Aufheizperiode A nehmen die noch verhältnismäßig kalten Stahlblöcke Wärme von den heißen Verbrennungsgasen auf, während gleichzeitig die Wandungen des Tiefofens 1 aufgeheizt werden. Die Aufheizperiode A dauert so lange, bis die Wandungen des Tiefofens eine Temperatur Nl erreichen, die höherliegt als die höchst zulässige Oberflächentemperatur S der Stahlblöcke. Auf diese Höchsttemperatur /Vl der Ofenraumwandungen spricht der Temperaturfühler 24 an und bewirkt über die Steuervorrichtung 26 und den Stellmotor 120 den allmählichen Abschluß des Drosselorgan 20 in der Luftzuleitung 16 des äußeren Brenners 5 und 6. Das in der Saugleitung 117 des Luftgebläses 17 angeordnete Meßgerät 27 spricht auf die durch den Abschluß des Drosselorgans 20 hervorgerufene Herabsetzung der Luftdurchflußmenge an. Der Regler 28 schließt infolgedessen über den Stellmotor 121 auch das in der Brennstoffzuleitung 11 des äußeren Brenners 5 und 6 angeordnete Drosselorgan 21, und zwar gleichzeitig mit dem Luftdrosselorgan 20 und entspechend dem eingestellten, einzuhaltenden Brennstoff-Verbrennungsluft-Verhältnis. Der Abschluß der Drosselorgane 20 und 21 in den Luft- und Brennstoffzuleitungen 9 bzw. 11 des äußeren Brenners 5 und 6 beginnt also zum Zeitpunkt Tl am Ende der Aufheizperiode A und endet zum Zeitpunkt 72 der anschließenden Durchwärmperiode D. Der Druck der Verbrennungsluft und des Brennstoffs im äußeren Brenner 5 und 6 fäilt infolgedessen im Zeitabschnitt 71-72 allmählich auf Null &S, wie der Abschnitt H1-H2 der Kurve H angibt. Infolgedessen sinkt in dem genannten Zeitabschnitt TX-VL auch die Gesamtzuflußmenge an Brennstoff und Verbrennungsluft fortschreitend vom 100%igen, der vollen Leistung beider Brenner 5 und 6 bzw. 7

und 8 entsprechenden Wert Ll auf einen nur der vollen Leistung des weiterlaufenden inneren Brenners 7 und 8 zugeordneten Wert Ll ab. Gleichzeitig steigt der Druck des Brennstoffs und der Verbrennungsluft im inneren Brenner 7 und 8 allmählich an, wie der Abschnitt KX-Kl der Kurve K zeigt, da mit der fortschreitenden Abdrosselung der Luft- und Brennstoffzuleitungen 9, 11 des äußeren Brenners S und 6 die entsprechenden Druckverluste wegfallen und der innere Brenner 7 und 8 nun vom gesamten Förderdruck der Luft- und Brennstoffgebläse 17,19 beaufschlagt wird. Dem Druckanstieg im inneren Brenner 7 und 8 entspricht eine Erhöhung der Einlaufgeschwindigkeit der Verbrennungsluft und des Brennstoffs in den Tiefofen i. Diese dem inneren Brenner 7 und 8 zugeordnete Geschwindigkeitserhöhung der Verbrennungsluft und des Brennstoffs ist so groß, daß sie auch bei dem jetzt herabgesetzten Gesamtvolumen der erzeugten Verbrennungsgase etwa dieselbe starke Turbulenz der Verbrennungsgase im Tiefofen 1 wie in der Aufheizperiode A, ja sogar eine noch stärkere Turbulenz bewirkt und infolgedessen trotz der herabgesetzten Leistung der Brenner eine gleichförmige Verteilung der Verbrennungsgase und der Temperatur im Ofenraum gewährleistet.

Im Zeitpunkt 71, d. h. am Ende der Aufheizperiode, liegt die Temperatur Nl der Ofenraumwandungen höher und die Temperatur Ml der Verbrennungsgase niedriger als die höchst zulässige Oberflächentemperatur S der Stahlblöcke. Infolge der Abdrosselung des äußeren Brenners 5 und 6 und der entsprechenden Herabsetzung der Wärmezufuhr geben nun die überhitzten Ofenraumwandungen ihre aufgespeicherte Wärme an die Stahlblöcke ab. Die aufrechterhaltene hohe Turbulenz der Verbrennungsgase im Tiefofenraum unterstützt wesentlich den Wärmeübergang von den Ofenraumwandungen auf die Stahlblöcke, da sie eine Wärmeübertragung auch bzw. vorwiegend durch Konvektion und nicht nur durch reine Strahlung bewirkt. Die Temperatur der Verbrennungsgase steigt infolgedessen noch etwas an und stabilisiert sich auf dem Temperaturwert Ml, der immer noch tiefer liegt als die höchst zulässige Oberflächentemperatur 5 der Stahlblöcke. Die Temperatur der Ofenraumwandung behält dagegen für verhältnismäßig kurze Zeit ihren Höchstwert ΛΊ bei und fällt dann allmählich ab.

In der Durchwärmungsperiode D wird den Stahlblöcken zum Teil von den überhitzten Ofenraumwandungen und zum Teil von dem in Betrieb gehaltenen ' inneren Brenner 7 und 8 so viel Wärme zugeführt, daß sie alle die gewünschte einheitliche Endtemperatur, z. B. die vorgeschriebene Walztemperatur, erreichen und dabei gleichförmig durchwärmt werden. Wenn sich die Temperatur der Stahiblöcke der ge-

i" wünschten Endtemperatur nähert, d.h. etwa zum Zeitpunkt Tl, wird das Drosselorgan 22 in der Luftsammelleitung 16 allmählich geschlossen, und zwar aufgrund des Steuerimpulses eines Temperaturfühlers, z. B. durch den auf die Temperatur der Ofen-

·■> raumwandungen ansprechenden Temperalurfühier 24 über die Steuervorrichtung 26 und den Stellmotor 122. Der Regler 28, der das eingestellte Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis unverändert aufrechterhält, schließt gleichzeitig über den Stellmotor

-¹" 123 das Drosselorgan 23 in der Brennstoff-Sammelleitung 18. Die Zuflußmenge an Brennstoff und Verbrennungsluft sinkt von dem der vollen Leistung des inneren Brenners 7 und 8 entsprechenden Wert Ll weiter ab, während gleichzeitig auch der Druck des

-'"> Brennstoffs und der Verbrennungsluft im inneren Brenner 7 und 8 von dem erreichten Höchstwert Kl abfallen.

Somit erlaubt es die beschriebene Doppelbrenneranordnung, daß auch bei reduzierter Brennerleistung

«ι während der Durchwärmperiode die Verbrennungsgase den Ofenraum überall turbulent durchströmen, so daß die im Tiefofen 1 angeordneten Stahlblöcke in kurzer Zeit auf die gewünschte Temperatur durchgehend gleichmäßig erhitzt werden. Darüber hinaus

π besitzt die Brenneranordnung eine besonders einfache, gedrungene, betriebssichere und kostensparende Ausbildung. Sie kann in baulicher bzw. betrieblicher Hinsicht auch dahingehend abgeändert werden, daß z. B. am Ende der Aufheizperiode A der

mi innere Brenner 7 und 8 abgedrosselt bzw. abgeschaltet und der äußere Brenner 5 und 6 in Betrieb gehalten wird. Dazu ist es nur erforderlich, die Drosselorgane 20, 21 in den Luft- und Brennstoffzuleitungen 14 bzw. 15 des inneren Brenners 7, 8 anstatt in den ■) Zuleitungen 9, 11 des äußeren Brenners anzuordnen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Brenneranordnung in Wärmöfen, insbesondere Tiefofen, mit zwei Brennern, die je eine Brennstoffzuleitung und eine Luftzuleitung aufweisen und mit automatisch in Abhängigkeit von der Temperatur im Ofenraum gesteuerten Regelungsvorrichtungen für die Luft- und Brennstoffzuleitungen versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Brenner (5 und 6 bzw. 7 und 8) in einem gemeinsamen Brennerkopf (4) vereinigt und koaxial zu- und ineinander mit konzentrischen ringförmigen Austrittsmündungen bzw. Düsenkränzen (10) für Brennstoff und Verbrennungsluft angeordnet sind.