DE2839627A1 - Brenner - Google Patents

Description

HITACHI, LTD.

5-1,1-chome, Marunouchi, Chiyoda-ku

Tokyo (JAPAN)

Brenner

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner für die Verbrennung gasförmigen Brennstoffs, mit geringem Verbrennungsgeräusch, hoher Verbrennungsbelastung und relativ hohem Wärmewirkungsgrad, insbesondere zur Anwendung in Haushaltseinrichtungen.

Ein Bunsenbrenner ist eine Brennerart mit geringem Verbrennungsgeräusch, der ein Brennstoff-Luft-Gemisch verbrennt, das vorher durch Vermischen eines Brennstoffs mit Erstluft in einem Zündbereich gebildet wird. Diese Brennerart wird in großem Umfang als Haushaltsbrenner verwendet, da er nur geringes Verbrennungsgeräusch entwickelt und der vorgemischte Brennstoff eine Konzentration hat, die im Zündbereich liegt und leicht brennbar ist. Diese Brennerart weist jedoch Nachteile auf, da sie mit niedriger Verbrennungsbelastung arbeitet und sehr groß ist.

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In Anbetracht der Tatsache, daß diese Brennerart nur geringes Verbrennungsgeräusch entwickelt, wurden Versuche in Richtung auf eine hohe Verbrennungsbelastung mit einem solchen Brennertyp durchgeführt, und es wurde festgestellt, daß die Aufgaben einer Geräuschverminderung und einer Erhöhung der Belastung während der Verbrennung dadurch lösbar sind, daß Zweitluft in Form eines Wirbelstroms einer äußeren Flamme zugeführt wird, die in einem Hinterabschnitt einer inneren Flamme, die in Form einer laminaren Strömung vorliegt, gebildet wird. Aufgrund dieser Erkenntnis wurde eine entsprechende Erfindung entwickelt (US-Patentanmeldung Nr. 771 912 vom 25. Feb. 1977 entsprechend der JP-Offenlegungsschrift Nr. 105335/77 vom 3. Sept. 1977). In der Zwischenzeit wurde jedoch gefunden, daß dieser Brenner für den Einsatz in Haushaltungen ungeeignet ist, da während der Verbrennung, wenn die durch die Verbrennung erzeugte Wärme ca. 10 000 kcal/h erreicht, Verbrennungsschwingungen auftreten.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Brenners mit geringem Verbrennungsgeräusch und hoher Verbrennungsbelastung, der einen gasförmigen Brennstoff in Diffusionsverbrennung oder ein vorgemischtes Brennstoff-Luft-Gemisch, bei dem der Brennstoff über die Zündgrenze hinaus a gereichert ist, verbrennt.

Diese Aufgabe wird mit dem Brenner nach der Erfindung dadurch gelöst, daß in den Brennstoff oder das Brennstoff-Erstluft-Gemisch, bei dem der Brennstoff über die Zündgrenze hinaus angereichert ist, Zweitluft mit relativ hoher Strömungsgeschwindigkeit injiziert wird.

Durch die Erfindung wird also ein Brenner angegeben mit Hauptluftaus tritts öffnungen, aus denen Zweitluft mit relativ hoher Strömungsgeschwindigkeit austritt, und mit Hilfsluftaustritts-

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öffnungen, aus denen Zweitluft mit relativ niedriger Strömungsgeschwindigkeit austritt und die stromauf von den Hauptluftaustrittsöffnungen in bezug auf den Strom des gasförmigen Brennstoffs oder des vorgemischten Brennstoff-Erstluft-Gemischs, bei dem der Brennstoff über die Zündgrenze hinaus angereichert ist, angeordnet sind. Die Strömungsgeschwindigkeit der aus den Hilfsluftaustritten austretenden Zweitluft kann .durch Verwendung von Geschwindigkeitsreduzierkammern vermindert werden, die in einer Brennkammer oder in in Brennkammerwandungen ausgebildeten Vertiefungen vorgesehen sind. Nahe den Hilfsaustrittsöffnungen können Flammenstabilisierungsplatten vorgesehen sein, die sich im wesentlichen senkrecht zum Brennstoffstrom erstrecken. Die Hauptluftaustritte können in Form einer Mehrzahl Schlitze ausgebildet sein, die kontinuierlich nebeneinander in einem Zweitluftdurchgang ausgebildet sind, der in der Mitte eines Brennstoffdurchgangs längs diesem verläuft. Jeder Schlitz weist einen oberen Endabschnitt in Form eines Bogens oder eines gewölbten Polygons an der Innenseite auf. Der Zweitluftdurchgang kann an seiner stromaufwärts befindlichen Seite mit Abschnitten größerer Dicke ausgebildet sein, in denen Schlitze vorgesehen sind, die in die Zweitluftaustrittsschlitze übergehen. Der Brennstoffdurchgang kann zur Erweiterung mit versetzten Abschnitten ausgebildet sein.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, das die Stabilitätsgrenze einer in der Nähe von Zweitluftaustritten vorhandenen Flamme zeigt, wenn Zweitluft in ein vorgemischtes Gas-Luft-Gemisch injiziert wird, wobei die Gemischströmungsgeschwindigkeit V_M als Parameter verwendet wird und die Beziehung zwischen dem Erstluftdurchsatz des Gemischs und der Zweitluftaustrittsgeschwindigkeit relativ zu einer Abhebegrenze gezeigt ist;

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Pig. 2 eine Schnitt ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des Brenners nach der Erfindung;

Fig. 3 eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels;

Fig. 4 eine Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels;

Pig. 5 eine Schnittansicht eines vierten Ausführungsbeispiels;

Pig. 6 eine Schnittansicht eines fünften Ausführungsbeispiels;

Pig. 7 eine Schnittansicht eines sechsten Ausführungsbeispiels;

Pig. 8 eine Schnittansicht VIII-VIII nach Pig. 7; Pig. 9 die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung der Zweit-

bis 15 luft, die aus verschiedenen Arten von Zweitluftaustritts öffnungen austritt;

Pig. 16 eine Ansicht, die die Form der Zweitluftaustrittsöffnung veranschaulicht; und

Fig. 17 eine Perspektivansicht der Zweitluftaustrittsöffnungen und des Plammenaustrittsteils eines anderen Ausführungsbeispiels.

In einem Brenner, der einen gasförmigen Brennstoff oder ein vorgemischtes Gas-luft-Gemisch, bei dem das Gas über die Zündgrenze hinaus angereichert ist, verbrennt, erfolgt die Verbrennung während der Zufuhr von Zweitluft, die mit dem gasförmigen Brennstoff oder dem vorgemischten Gemisch vermischt wird. Wenn die an Zweitluftöffnungen gehaltene Flamme aufsteigt, wird ein Geräusch erzeugt. Eine zu diesem Zeitpunkt beobachtete Abhebegrenze der Flamme wird unter Bezugnahme auf Pig. I erläutert; diese zeigt eine Abhebegrenze der in der Nähe der Zweitluftöffnungen gehaltenen Flamme, die durch die aus den Luftöffnungen mit einem Durchmesser von 3 nun austretende Zweitluft angeblasen und in das vorgemischte Gemisch aus Brenn-

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stoff (CH-) und Erstluft injiziert wird. In Pig. 1 ist auf der Abszisse der Erstluftdurchsatz (Erstluftvolumen/theoretisches Luftvolumen) des vorgemisehten Brennstoffgemischs und auf der Ordinate die Geschwindigkeit aufgetragen, mit der die Zweitluft aus den luftöffnungen austritt.

Das Diagramm zeigt die Ergebnisse von Versuchen, bei denen die Gemischströmungsgeschwindigkeit V^ = 0,2 m/s und Yj, - 0,4 m/s betrug.

Bei T_M = 0,2 m/s wurde festgestellt, daß die Flamme relativ stabil ist, wenn die Zweitluftgeschwindigkeit verhältnismäßig niedrig oder unter 0,2-1,5 m/s im Vergleich zur Erstluftgeschwindigkeit von 0-0,5 liegt, und daß mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit die an den Zweitluftöffnungen gehaltene !Flamme aufsteigt, wodurch ein Geräusch erzeugt wird. Ferner wurde festgestellt, daß bei Verwendung von CEL als Brennstoff im vörgemischten Brennstoffgemisch der Erstluftdurchsatz innerhalb der Zündgrenze 0,64- ist, wenn das Gas angereichert ist, und daß der Erstluftdurchsatz innerhalb der Zündgrenze 1,8 beträgt, wenn der Brennstoff mager ist. Es ist daher ersichtlich, daß jedes vorgemischte Brennstoffgemisch mit einem Erstluftdurchsatz im Bereich zwischen 0,64 und 1,8 innerhalb der Zündgrenze liegt. Wenn sieh der Erstluftdurchsatz eines vorgemischten Gemische mehr an 0,64 annähert, was bei angereichertem Brennstoff die Zündgrenze darstellt, steigt die Zweitluftaustrittsgeschwindigkeit, die der Erzeugung einer Abhebeerscheinung Grenzen setzt, schnell an. Wenn ferner die Gemischströmungsgeschwindigkeit V_M auf 0,4 m/s verdoppelt wird, beträgt die Zweitluftaustrittsgeschwindigkeit, die die Bildung einer Abhebeerscheinung begrenzt, etwa die Hälfte des Werts bei V_M β 0,2 m/s.

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Pig. 1 zeigt die Ergebnisse von Versuchen, die mit einem Brenner durchgeführt wurden, dessen Luftaustritte einen Durchmesser von 3 mm hatten. Es wurde gefunden, daß bei größerem Durchmesser der Luftaustritte die Zweitluftaustrittsgeschwindigkeit, die der Erzeugung einer Abhebeerscheinung Grenzen setzt, dazu neigt anzusteigen. Bei den Versuchen nach Pig. I wurde als Brennstoff CH. verwendet. Es wurde jedoch festgestellt, daß bei Verwendung von Kerosindampf oder C,H₁₀-Dampf als Brennstoff die Zweitluftaustrittsgeschwindigkeit, die die Bildung von Abhebeerscheinungen begrenzt, dazu neigt anzusteigen.

Es ist also ersichtlich, daß bei dem Versuch einer Verbrennung mit hoher Last durch Erhöhen der Austrittsgeschwindigkeit der Zweitluft aus den Luftaustritten und Vermischen der Zweitluft mit dem Brennstoff oder dem vorgemischten Brennstoffgemisch mit höherer Geschwindigkeit die Flamme von dem nahe den Luftaustritten gelegenen Brennerteil aufsteigt, wodurch das Verbrennungsgeräusch verstärkt wird. Wenn umgekehrt versucht wird, ein Haften der Flamme an dem Brennerteil nahe den Luftaustritten zu erreichen, um dadurch das Verbrennungsgeräusch zu verringern, muß die Zweitluftaustrittsgeschwindigkeit aus den Luftaustritten verlangsamt werden. Dadurch wird das Vermischen der Zweitluft mit dem Brennstoff oder dem vorgemischten Brennstoffgemisch verlangsamt, was eine Verbrennung mit geringer Last zur Folge hat. Es gibt also keine andere Möglichkeit, als entweder auf Kosten einer höheren Verbrennungsbelastung ein vermindertes Verbrennungsgeräusch oder auf Kosten eines verminderten Verbrennungsgeräusches eine höhere Verbrennungslast zu wählen oder einen Kompromiß zwischen den sich widersprechenden Forderungen der Verminderung des Verbrennungsgeräusches und der Erhöhung der Verbrennungslast des Brenners zu schließen.

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Nach der Erfindung sind Luftaustrittsöffnungen vorgesehen, aus denen Zweitluft mit relativ niedriger Strömungsgeschwindigkeit austritt und die Luftaustrittsöffnungen vorgeschaltet sind, aus denen Zweitluft mit relativ hoher Strömungsgeschwindigkeit austritt, so daß in den Luftaustritten für die Zweitluft mit relativ niedriger Strömungsgeschwindigkeit eine stabile Flamme erzeugt wird, wodurch die Verbrennung mit geringem Geräusch und hoher Last stattfinden kann.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel des Brenners nach Fig. 2 ist in eine Luftkammer 1 ein Einsatz 2 luftdicht eingesetzt, und zwischen der Luftkammer 1 und dem Inneneinsatz 2 ist ein Luftdurchgang 3 gebildet. In dem Einsatz 2 sind nacheinander, und zwar vom Eingangsende zum Ausgangsende des Einsatzes 2, eine Brennstoffzone 4, eine obere Terbrennungszone 5 und eine untere Verbrennungszone 6 gebildet. Zweitluft tritt in den Einsatz 2 durch Luftaustrittsöffnungen 7 mit relativ hoher Strömungsgeschwindigkeit ein. Durch Hilfs-Luftaustrittsöffnungen 8 tritt Zweitluft mit relativ niedriger Strömungsgeschwindigkeit in den Einsatz 2 ein. Geschwindigkeitsreduzierkammern 10 sind durch Geschwindigkeitsreduzierwandungen 9 gebildet, und Öffnungen 11 haben kleineren Querschnitt als die Hilfs-Luftaustrittsöffnungen 8. Ferner sind ein Zweitlufteinlaß 12 und ein Gemischeinlaß 13 vorgesehen.

Bei diesem Brenner wird der durch Verdampfen von Kerosin am Boden des Einsatzes 2 erzeugte Dampf der Brennstoffzone 4 zugeführt, oder es wird durch den Gemischeinlaß 13 ein Gemisch aus Erstluft und Kerosindampf, bei dem der Brennstoff über die Zündgrenze hinaus angereichert ist, oder ein gasförmiger Brennstoff oder ein Brennstoff-Ers.tluft-Gemisch, bei dem der Brennstoff über die Zündgrenze hinaus angereichert ist, von einer gesonderten Zufuhreinheit in die Brennstoffzone 4 zugeführt. Der gasförmige Brennstoff bzw. das Brennstoff-Erst-

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luft-Gemisch, das durch den Gemischeinlaß 13 zugeführt wird, wird nachstehend als Gemisch bezeichnet.

Da das Gemisch in der Brennstoffζone 4 einen über die Zündgrenze hinaus angereicherten Brennstoff umfaßt, brennt es in der Brennstoffzone 4 nicht und strömt in die sich anschließende Verbrennungszone 5. Bevorzugt ist das Gemisch ein vorgemischtes Gemisch aus Brennstoff und luft und nicht nur ein Brennstoff für sich. Inzwischen wird Zweitluft, die von einem gesondert vorgesehenen Gebläse (nicht gezeigt) erzeugt wird, durch den Zweitlufteinlaß 12 in die Luftkammer 1 eingelassen und strömt durch die Öffnungen 11 in die Geschwindigkeitsreduzierkammern 10, in denen die Strömungsgeschwindigkeit der Zweitluft vermindert wird, so daß aus den Geschwindigkeitsreduzierkammern 10 durch die Hilfs-Luftaustritte 8 Zweitluft mit relativ niedriger Strömungsgeschwindigkeit in die Verbrennungszone eingeblasen wird. In der Verbrennungszone 5 wird die Zweitluft mit relativ niedriger Strömungsgeschwindigkeit mit dem Gemisch aus der Brennstoffzone 4 vermischt, und das Gemisch verbrennt. Da die Strömungsgeschwindigkeit der durch die Zweitluftaustritte 8 zugeführten Zweitluft relativ niedrig ist, wird eine Flamme in solcher Weise gebildet, daß sie an dem Brennerteil nahe den Hilfs-Lufteintritten 8 gehalten wird, und zwar aus den unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläuterten Gründen. Somit verbrennt das Gemisch mit geringem Verbrennungsgeräusch. Das in der Verbrennungszone 5 teilweise verbrannte Gemisch, dessen Temperatur erhöht wird, strömt in die auf die Zone 5 folgende Verbrennungszone 6. Das Gemisch enthält große Mengen von Verbrennungs-Zwischenprodukten. -

Inzwischen wird ein !Teil der durch den Zweit luft einlaß 12 in die Iiuftkammer 1 eingeführten Zweitluft durch die Luftaustritte 7 mit relativ hoher Strömungsgeschwindigkeit in die Verbrennungszone 6 eingeblasen, wo diese Zweitluft mit dem Gemisch aus

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der Verbrennungsζone 5 vermischt wird und verbrennt. Da die aus den Luftaustritten 7 austretende Zweitluft eine relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit hat, wird sie schnell mit dem Gemisch vermischt, und die Verbrennung erfolgt schnell, so daß eine Verbrennung mit hoher Belastung erhalten wird. Zu diesem Zeitpunkt hat das aus der Verbrennungszone 5 in die Verbrennungszone 6 strömende Gemisch eine relativ hohe Temperatur und enthält große Mengen von Verbrennungs-Zwischenprodukten. Selbst wenn also die Strömungsgeschwindigkeit der durch die luftaustritte 7 ausgeblasenen Zweitluft relativ hoch ist, haftet die erzeugte Flamme in stabiler Weise an dem Brennerteil nahe den Luftaustritten 7, so daß die Verbrennung mit relativ geringer Geräuschentwicklung erfolgt.

Wie bereits unter Bezugnahme auf Pig. I erläutert wurde, wird die Zweitluftaustrittsgeschwindigkeit, die die Bildung einer Abhebeerseheinung begrenzt, plötzlich hoch, wenn der Erstluftdurchsatz des Gemischs sich der Zündgrenze nähert. In Anbetracht dieses Versuchsergebnisses kann eine Flamme in dem Brennerteil nahe den Zweitluftaustritten 7 gebildet werden, die weiter stabilisierbar ist, wenn das Volumen der aus den Hilfs-Luftaustritten 8 in die Verbrennungszone 5 geführten Zweitluft so geregelt wird, daß das Brennstoff-Luft-Verhältnis innerhalb des Zündbereichs liegt.

Bei herkömmlichen Brennern mit geringem Brennergeräusch betrug die Geschwindigkeit, mit der die Zweitluft aus den Luftaustritten austrat, ca. 2 oder 3 m/s, und die Verbrennungslast betrug ca. 10 kcal/h«m . Mit einem Ausführungsbeispiel des Brenners nach der Erfindung wurden Versuche durchgeführt, wobei der Erstluftdurchsatz des Gemischs auf 0,4--0,6, die Zweitluftaustrittsgeschwindigkeit aus den Luftaustrittsöffnungen S mit 0,5-ly5> m/s und die Zweitluftaustrittsgeschwindigkeit aus den Luftaustrittsöffnungen 7 mit 5-15 m/s eingestellt

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wurden. Die Versuchsergebnisse zeigen, daß selbst dann, wenn die die Verbrennungszone "beai fschlagende Belastung ca. 10 kcal/h»m "betrug, das Verbrennungsgeräusch nicht höher als bei herkömmlichen Brennern war.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel nach Pig. 3 sind in dem inneren Einsatz 2 Vertiefungen 14 ausgebildet, und in jeder Vertiefung 14 sind Lufteinlässe 15 geformt, so daß jede Vertiefung 14 als Geschwindigkeitsreduzierkammer wirkt. Die Öffnung jeder Vertiefung 14 dient als Hilfs-Luftaustritt Dieser Brenner ist einfach aufgebaut und leicht herzustellen; dennoch ist es möglich, die Geschwindigkeit der durch die Lufteinlässe 15 in die Geschwindigkeitsreduzierkammern eingeführten Zweitluft so zu vermindern, daß die Zweitluft mit relativ niedriger Strömungsgeschwindigkeit aus den Zweitluftaustritten 16 in die Verbrennungszone gelangt.

Das dritte Ausführungsbeispiel nach iig. 4 ist eine Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels, Der Unterschied zwischen beiden Brennern liegt in der Lage der in den Geschwindigkeitsreduzierkammern 14 gebildeten Einlaßöffnungen 15.

Bei dem Brenner nach 3?ig. 5 weist jede Wand 9 der Geschwindigkeitsreduzierkammern einen oberen, im wesentlichen horizontalen Abschnitt auf, der nahe der Eingangsseite der Zweitluftaustritte 7 liegt, und Hilfsluftaustritte 17 sind in diesem Abschnitt der Wände 9 ausgebildet und führen Zweitluft mit relativ niedriger Strömungsgeschwindigkeit zu. Eine Flamme, die an den Luftaustritten 17 gehalten wird, befindet sich in der Nähe der stromaufwärts gelegenen Seite der Zweitluft-Öffnungen 7 oder in Kontakt mit diesen, so daß die durch die ilarnme erzeugte Wärme und die Verbrennungs-Zwischenprodukte in die Umgebung der Luftaustritte 7 geführt werden können. Auf diese Weise wird in den Zweitluftaustritten 7 eine stabilisierte Flamme gebildet und das Verbrennungsgeräusch vermindert.

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Bei dem Brenner nach Fig. 6 sind Wandungen 18 der Geschwindigkeitsreduzierkammern an ihren oberen Enden von den Innenwandflächen des Einsatzes 2 beanstandet und definieren dazwischen Hilfs-Iiuftaustritte 19, die nahe der stromaufwärts befindlichen Seite der Zweitluftaustritte 7 liegen und aus denen Zweitluft mit relativ niedriger Strömungsgeschwindigkeit austritt. Die Wandungen 18 der Geschwindigkeitsreduzierkammern haben je einen oberen Endabschnitt, der an den Hilfs-Luftaustritten 19 einwärts in eine zur Gemischströmungsrichtung im wesentlichen senkrechte Richtung gebogen ist, so daß die eingebogenen oberen Endabschnitte der Wände 18 als Flammenstabilisierungsplatten 20 wirken. Die Anwesenheit dieser Flammenotabilisierungsplatten 20 bewirkt eine Verminderung des Gemischdurchsatzes an der stromabwärts befindlichen Seite und in der Nähe der Hilfs-Luftaustritte 19. Somit wird die Stabilität der an den Hilfs-Luftaustritten 19 gehaltenen Flammen erhöht, wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert wurde. Eine an den Zweitluftaustritten 7 gehaltene Flamme wird durch die an den Luftaustritten 19 gehaltenen Flammen geschützt, und infolgedessen wird die Flammenstabilität erhöht und das ■Verbrennungsgeräusch vermindert. Bei diesem Brenner entfallen die Verbrennungszone 5 und die Hilfs-Luftaustritte 8. Aus den genannten Gründen sind jedoch die Flammen stabilisierbar und das Verbrennungsgeräusch verminderbar.

Bei dem sechsten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 7 und 8 ist im mittleren Abschnitt ein Luftdurchgang ausgebildet, und das Gemisch strömt links und rechts im Durchgang aufwärts. Ein Brennerhauptteil 21 definiert eine Brennstoffkammer 22 an der stromaufwärts befindlichen Seite des Inneren des Brennerhauptteils 21. Der rohrförmige Zweitluftdurchgang 23 ist an der stromabwärts befindlichen Seite der Brennstoffkammer 22 vorgesehen, und auf entgegengesetzten Seiten des Zweitluftdurchgangs 23 ist ein Brennstoffdurchgang 24 ausgebildet. Eine Verbrennungskammer 25 ist an der stromabwärts befindlichen Seite

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der Durchgänge 23 und 24 ausgebildet. Eine Flammenaustrittsplatte 26 ist mit Flammenaustrittsöffnungen 27 ausgebildet. Mehrere Zweitluftaustrittsöffnungen 28 in Form von in einer Reihe angeordneten Schlitzen öffnen sich in den Brennstoffdurchgang 24 auf gegenüberliegenden Seiten desselben. Die Zweitluftaustrittsschlitze 28 sind so geformt, daß sie in Richtung zur stromabwärts befindlichen Seite konvex sind. In den Seitenwänden des Zweitluftkanals 23 sind Öffnungen 30 ausgebildet, die mit Abstand an Geschwindigkeitsreduzierplatten 31 grenzen. Die Platten 31 und die Wandungen des Zweitluftdurchgangs 23 definieren zwischen sich Hilfs-Luftschlitze 29, die an der stromaufwärts befindlichen Seite der schlitzförmigen Zweitluftaustritte 28 liegen. Die Öffnungen 30 haben einen kleineren Querschnitt als die Hilfs-Luftschlitze 29. Jede Geschwindigkeitsreduzierplatte 31 weist einen oberen Endabschnitt auf, der zu dem Brennstoffdurchgang 24 vorsteht und als Flammenstabilisierplatte 32 wirkt. Ferner sind ein Zweitlufteinlaß 33, ein Gemischeinlaß 34, ein Wärmetauscher 35 und eine Abgasöffnung 36 vorgesehen.

Bei diesem Brenner verbrennt das Gemisch nicht an den Flammenaustrittsöffnungen 27, sondern strömt zum Gemischdurchgang 24 an dessen stromabwärts befindlicher Seite. Inzwischen tritt aus den Öffnungen 30 Zweitluft aus, deren Strömungsgeschwindigkeit durch die Geschwindigkeitsreduzierplatten 31 verlangsamt wird, und tritt aus den Hilfs-Luftschlitzen 29 mit relativ niedriger Strömungsgeschwindigkeit aus. Dadurch wird eine kleine Flamme gebildet, die stabil ist und an den Flammenstabilisierplatten 32 gehalten wird. Die Wärme und die Verbrennungs-Zwischenprodukte der kleinen Flamme werden der Nähe der Zweitluftaustrittsschlitze 28, die stromabwärts von den Öffnungen 30 liegen, zugeführt, so daß eine große Flamme entsteht, die nahe den Zweitluftaustrittsschlitzen 28 gehalten wird. Brennstoff und Zweitluft treten durch die Zweitluftaustrittsschlitze 28 in solcher Weise aus, daß der Brennstoff

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von Zweitluftstrahlen eingeschlossen wird. Dadurch haben die Zweitluft und der Brennstoff einen großen Kontaktbereich miteinander, und die Verbrennung erfolgt an sämtlichen Kontaktflächen zwischen Brennstoff und Luft, so daß sie mit geringem Geräusch und hoher Belastung stattfindet. Das durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugte Gas strömt in den Wärmetauscher 35, wo es Wärme abgibt und durch die Abgasöffnung 36 zur Atmosphäre geleitet wird.

Durch das Vorsehen der Flammenaustrittsöffnungen 27 wird eine Flamme in solcher Weise gebildet, daß sie an den Flammenaustritt soff nungen 27 gehalten wird, wenn das Gemisch in einem Zündbereich aufgrund der Abnahme des Erstluftvolumens abfällt oder das Brennstoff volumen aus irgendeinem Grund verringert wird. Dadurch wird eine Überhitzung von Bestandteilen der Brennkammer 22 und des Zweitluftdurchgangs 23 verhindert, so daß die Verbrennung sicher stattfindet.

Wenn keine Hilfs-Luftaustrittsschlitze 29 vorgesehen wären, würde die Flamme nicht an den Zweitluftaustritten 28 gehalten und in solcher Weise gebildet werden, daß sie sich von den Schlitzen abheben und darüber schweben würde, wenn die Zweitluftaustrittsgeschwindigkeit durch die Schlitze 28 höher als 3-4 m/s werden würde. Der Abschnitt, in dem die Verbrennung beginnt, bewegt sich mit der Zeit zur Eingangs- und zur Ausgangsseite, was ein stärkeres Verbrennungsgeräusch zur Folge hat. Durch das Vorsehen der Hilfs-Zweitluftschlitze 29 kann jedoch eine kleine Flamme stabil brennen, da sie an den Schlitzen 29 gehalten wird. Infolgedessen ist es auch dann, wenn die Strömungsgeschwindigkeit der aus den Zweitluftschlitzen 28 austretenden Zweitluft mehr als 10 m/s beträgt, möglich, eine große Flamme zu erhalten, die stabil ist und an den Zweitluftschlitzen 28 gehalten wird. Wenn jedoch die Zweitluftaustrittsgeschwindigkeit höher als ca. 12 m/s wird, wird

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die Verwirbelung der Zweitluftstrahlen an der Ausgangsseite der Zweitluftaustrittsschlitze 28 erhöht, so daß die Verbrennung in einem Wirbelstrom des Gemischs erfolgt und das Verbrennungsgeräusch stärker wird. Wenn umgekehrt die Zweitluftaustrittsgeschwindigkeit unter ca. 2 m/s fällt, erreicht die Zweitluft nicht die Wandungen 25a der Brennkammer 25, so daß die Verbrennung nicht mit hoher Belastung erfolgen, kann. Dies ist das Ergebnis von Versuchen, die mit einem Brenner durchgeführt wurden, bei dem die Brennkammer 25 eine Breite von 60 mm zwischen den Wandungen 25a hatte, wobei die Zweitluftaustrittsgeschwindigkeit über 12 m/s erhöht und unter 2 m/s gesenkt wurde.

Bevorzugt liegt das Volumen der durch die Hilfs-Zweitluftschlitze 29 zugeführten Zweitluft im Bereich zwischen 7 und 30 % des Zweitluftvolumens durch die Zweitluftaustrittsschlitze 28. Wenn der Zweitluftdurchsatz durch die Hilfsschlitze 29 kleiner als dieser Wert ist, ist es unmöglich, einen ausreichenden Schutz einer großen, an den Zweitluftaustrittsschlitzen 28 gehaltenen Flamme zu erreichen, und das Verbrennungsgeräusch wird stärker. Wenn das Volumen jedoch höher als dieser Wertebereich liegt, kann die Verbrennung nicht mit hoher Belastung erfolgen, da das Zweitluftvolumen durch die Schlitze 28 verringert wird, so daß ein großes zusätzliches Luftvolumen erforderlich ist.

Bei diesem Brenner sind die Flammenstabilisierplatten 32 nahe den Hilfs-Zweitluftschlitzen 29 angeordnet. Aufgrund dieser Anordnung wird die kleine Flamme an der stromab gelegenen Fläche jeder Flammenstabilisierplatte 32 gehalten, wenn sie sich an den Hilfs-Zweitluftschlitzen 29 befindet. Daher wird die kleine Flamme nicht von dem Brennstoffstrom durch den Brennstoffdurchgang 24 beeinflußt und ist selbst dann stabil, wenn die Gemischströmungsgeschwindigkeit zunimmt. Aufgrund dieser Erscheinung wird eine an den Zweitluftschlitzen 28 gehaltene Flamme ebenfalls stabilisiert.

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Es werden 'jetzt Versuchsergebnisse bezüglich der Größen verschiedener Teile der Zweitluftaustrittsschlitze 28 erläutert. Die Versuche wurden mit einem Brenner durchgeführt, bei dem der Abstand zwischen den Wandungen 25a der Brennkammer (die Breite in Pig. 7) 60 mm betrug. Die Ergebnisse anderer noch zu erläuternder Versuche wurden ebenfalls unter Verwendung des gleichen Brenners erhalten.

Der Abstand zwischen benachbarten Zweitluftschlitzen 28 liegt bevorzugt im Bereich zwischen 3 und 20 mm. Bei einem kleineren als diesem Abstand vereinigen sich die Zweitluftstrahlen, die aus sämtlichen Zweitluftschlitzen 28 austreten, etwas stromab von den Schlitzen 28, und das Gemisch muß in die Nähe der Wandungen 25a strömen, wodurch sich eine Flamme in Richtung zur stromab gelegenen Seite nahe den Wandungen 25a erstreckt und eine Verbrennung mit hoher Belastung nicht durchführbar ist. Wenn umgekehrt der Abstand größer als dieser Wertebereich war, war es unmöglich, die Zweitluft den Bereichen zwischen den Zweitluftschlitzen 28 in ausreichend großem Volumen für eine vollständige Verbrennung zuzuführen. Die Weite jedes Schlitzes 28 liegt vorteilhafterweise in einem Bereich zwischen 0,3 und 2,5 mm. Bei einer kleineren als dieser Weite kann die Zweitluft die Wandungen 25a der Brennkammer 25 nicht erreichen, und zwar vermutlich deshalb, weil die Zweitluft vor dem Erreichen der Wandung 25a verbrannt war. Nahe den Wandungen 25a fehlte daher Zweitluft, und eine Flamme in diesem Teil der Brennkammer 25 erstreckte sich zu der stromab gelegenen Seite, so daß die Verbrennung nicht mit hoher Belastung durchführbar war. Wenn umgekehrt die Weite der Schlitze größer als der genannte Bereich war, wurde der Brennstoff nicht mit dem zentralen Teil der Zweitluftstrahlen vermischt, d. h., ein Teil der Zweitluft nahm an der Verbrennung nicht teil, so daß sehr viel zusätzliche luft erforderlich war.

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Die aus den Zweitluftschlitzen 28 austretenden Zweitluftstrahlen werden nun erläutert. Dabei wird ein Teil des Gemischs zu der stromab befindlichen Seite des Zweitluftdurchgangs 23 angesaugt. Da das Gemisch über die Zündgrenze hinaus angereichert ist, muß eine geeignete Menge Zweitluft den Seiten des Brennstoffdurchgangs 24 und der stromab gelegenen Seite des Zweitluftdurchgangs 23 zugeführt werden.

Unter Bezugnahme auf die Pig. 9-16 wird nun die Querschnittsform der Zweitluftaustrittsschlitze 28 erläutert. Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen betrug die Anfangsgeschwindigkeit der Zweitluft ca. 6 m/s.

In Fig. 9 ist der Schlitz 28 im Querschnitt konvex in Richtung zur stromab gelegenen Seite des Gemischstroms ausgebildet. Der Schlitz 28 hat einen oberen Endabschnitt 37 in Form eines Kreisbogens mit relativ großem Radius. Der Schlitz 28 nach Fig, 10 hat einen oberen Endabschnitt 37 in Form eines Kreisbogens mit relativ kleinem Radius. Die Verteilung der Zweitluftstrahlen, die durch die Schlitze 28 mit der genannten Querschnittsform austreten, ist derart, daß, wenn der Innenradius des oberen Endabschnitts 37 kleiner als ein Bereich zwischen 1,5 und 4 mm ist, das Oberende und die Seiten des oberen Endabschnitts 37 sich in bezug auf die Strömungsgeschwindigkeit der sie durchsetzenden Zweitluft unterscheiden und der Durchsatz am Oberende geringer als an der Seite ist (vgl. Fig. 10). Wenn der Innenradius des oberen Endabschnitts 37 größer als der Bereich zwischen 1,5 und 4 mm ist, wird die Zweitluftströmungsgeschwindigkeit durch das Oberende und die Seiten des Abschnitts 37 gleichmäßig verteilt (vgl. Fig. 9). Bei diesem Ausführungsbeispiel, bei dem der Brenner eine Breite von 60 mm hat, liegt der Innenradius des oberen Endabschnitts 37 des Zweitluftaustrittsschlitzes 28 vorteilhafterweise im Bereich zwischen 1,5 und 15 mm. Wenn der Innen-

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radius kleiner als der genannte Bereich ist, ergibt sich ein Mangel an Zweitluft an der stromab gelegenen Seite des oberen Endabschnitts 37· Dadurch erfolgt eine unvollständige Verbrennung, oder es entsteht Ruß, wenn der Kohlenstoffgehalt des Brennstoffs hoch ist. Wenn umgekehrt der Innenradius größer als der genannte Bereich ist, wird die Zweitluft der stromab gelegenen Seite des oberen Endabschnitts 37 mit einem größeren als dem erforderlichen Volumen zugeführt. Dadurch nimmt die Menge der überschüssigen Luft zu, und der Heizwirkungsgrad des Wärmetauschers 35 wird vermindert.

Pig. 11 zeigt den oberen Endabschnitt 37 des Zweitluftaustrittsschlitzes 28, der aus zwei schrägen Flächen besteht. Wenn der Abschnitt 37 in dieser Weise ausgebildet ist, strömt praktisch keine Zweitluft zur stromab gelegenen Seite des oberen Endabschnitts 37, so daß ein Zweitluftmangel auftritt. Dadurch ergibt sich eine unvollständige Verbrennung und die Bildung von Ruß, wenn der Brennstoff einen hohen Kohlenstoffgehalt hat.

Pig, 12 zeigt eine Verbesserung des oberen Endabschnitts 37 von Mg. 11, wobei der obere Endabschnitt 37 durch zwei schräge Flächen gebildet ist, die durch ein gewölbtes Oberende miteinander verbunden sind. Aufgrund der Verbindung der oberen Endabschnittsfläehen mittels eines gewölbten Oberendes kann die Zweitluft der stromab gelegenen Seite des oberen Endabschnitts 37 zugeführt werden. Aus dem gleichen Grund wie bei den Pig. 9 und 10 liegt der Innenradius des Oberendes des oberen Endabschnitts 37 vorteilhafterweise zwischen 1,5 und 15 mm.

Der obere Endabschnitt 37 des Zweitluftaustrittsschlitzes 28 nach Pig. 13 ist kastenförmig. Bei dieser Schlitzform wird der stromab gelegenen Seite des oberen Endabschnitts 37 ein

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großes Zweitluftvolumen zugeführt, und es ergibt sieh ein großes Überschußluftvolumen. Gleichzeitig ist das Zweitluftvolumen, das seitlich von dem oberen Endabschnitt 37 austritt, klein, so daß Ruß erzeugt wird, wenn der Brennstoff einen hohen Kohlenstoffgehalt hat.

Pig. 14 zeigt eine Verbesserung des oberen Endabschnitts 37 von Pig. 13. Hier hat der obere Endabschnitt 37 die Porm eines Polygons mit drei Seiten. Die Zweitluft wird zweckmäßigerweise vom Oberende und den Seiten zugeführt, so daß eine zufriedenstellende Verbrennung stattfindet.

Pig. 15 ist eine Verbesserung des oberen Endabschnitts 37 von Pig. 14. Der obere Endabschnitt 37 hat hier die Porm eines vierseitigen Polygons. Die Zweitluft wird zweckmäßigerweise vom Oberende und den Seiten zugeführt, so daß eine zufriedenstellende Verbrennung erfolgt.

Pig. 16 dient der Erläuterung der polygonalen oberen Endabschnitte 37 der Pig. 14 und 15. Jede Seite des vieleckigen oberen Endabschnitts 37 ist bevorzugt so angeordnet, daß sie einen gedachten Kreis mit einem Radius zwischen 1,5 und 15 mm berührt. Wenn der polygonale obere Endabschnitt 37 diese Bedingung nicht erfüllt, ergeben sich bei dem Brenner die Fachteile einer unvollständigen Verbrennung des Brennstoffs, die Erzeugung von Ruß im Pail eines hohen Kohlenstoffgehalts des Brennstoffs und ein zu großer Luftüberschuß, und zwar aus den unter Bezugnahme auf die Pig. 9 und 10 genannten Gründen.

Wenn der gewölbt ausgebildete obere Endabschnitt 37 mit dem vieleckigen oberen Endabschnitt 37 verglichen wird, hat ersterer den Vorteil, daß er aufgrund der geringen Anzahl Parameter leicht ausführbar ist.

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Es werden min die Daten eines Ausführungsbeispiels erläutert. Die Wärmetelastung, mit der die Brennkammer beaufschlagt wurde, konnte um das Zehnfache oder auf 10' kcal/h»m erhöht werden, und die Verbrennung mit hoher Belastung erfolgte ohne ein gleichzeitiges Ansteigen des Verbrennungsgeräusches über den Pegel bekannter Brenner hinaus, wenn der Brenner nach der Erfindung folgende Daten aufwies: Breite des Brennerhauptteils 21: 60 mm; Radius des oberen Endabschnitts 37 jedes Zweitluftaustritts Schlitzes 28: 3 mm; Weite der Schlitze 28: 0,6 mm; Abstand zwischen den Schlitzen 28: 7 mm; Zweitluftaustrittsgeschwindigkeit aus den Schlitzen 28: 6 m/s. Die vorstehenden Erläuterungen wurden zwar unter Bezugnahme auf einen Brenner gemacht, bei dem die Breite des Brennerhauptteils 60 mm betrug, diese Daten gelten jedoch auch für Brennerhauptteile, deren Breite ca* 60 mm beträgt.

Pig, 17 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels, bei dem der Zweitluftdurchgang und die Flammenstabilisierungsplatte einstückig ausgeführt sind. Ein Formwerkstoff wird so bearbeitet, daß darin die Zweitluftaustrittsschlitze 28 und die FlammenaustrittsÖffnungen 27 vorgesehen werden.

Die Dicke des Teils, in dem die Zweitluftaustrittsschlitze 28 ausgebildet sind, ist in einem unteren Abschnitt bei 38 größer, so daß darin Hilfs-Luftaustritte 39 formbar sind, durch die Zweitluft mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit austritt, und zwar aufgrund des Widerstands des Durchgangs gegen den Zweitluf tstrom. Ferner sind in dem Teil 38 mit größerer Dicke versetzte Abschnitte ausgebildet, so daß eine stabile kleine Flamme gebildet wird. Durch Ändern der Dicke des Teils 38 derart, daß eine Mehrzahl Teile mit größerer Dicke entsteht, kann eine Mehrzahl von Gruppen von Hilfs-Zweitluftaustritten geschaffen werden, die sich voneinander in bezug auf die Luftaustrittsgesehwindigkeit unterscheiden. Der Abstand zwischen den Zweitluf taustrittsschlitzen 28 kann mehrfach größer als derjenige zwischen den Flammenaus tr it ts Öffnungen 27 sein.

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Claims (10)

1. Ansprüche

   Brenner für die Verbrennung von gasförmigem Brennstoff in Diffusionsverbrennung oder von vorgemischtem Brennstoff-Erstluft-Gemisch, bei dem der Brennstoff über die Zündgrenze hinaus angereichert ist,

   gekennzeichnet durch

   LuftaustrittsÖffnungen (7; 28), aus denen Zweitluft mit relativ hoher Strömungsgeschwindigkeit austritt; und

   Luftaustrittsöffnungen (8; 16; 17; 19; 29), aus denen Zweitluft mit relativ niedriger Strömungsgeschwindigkeit austritt und die in bezug auf die Strömungsrichtung des gasförmigen Brennstoffs bzw. des Brennstoff-Erstluft-Gemischs stromaufwärts von den erstgenannten LuftaustrittsÖffnungen (7; 28) angeordnet sind.
2. 2. Brenner nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß das Brennstoff-Luft-Yerhältnis des Gemischs durch die Zweitluft mit relativ niedriger Strömungsgeschwindigkeit in der Nähe der stromabwärts angeordneten Luftaustrittsöffnungen (7; 28), aus denen Zweitluft mit relativ hoher Strömungsgeschwindigkeit austritt, in einen Zündbereich bringbar ist.

   81-(A 3259-03)-schö

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   ORIGINAL IMSPECTED
3. 3. Brenner nach Anspruch 1,
   gekennzeichnet durch

   Luftaustrittsöffnungen (19; 29), aus denen Zweitluft mit relativ niedriger Strömungsgeschwindigkeit austritt und die sehr nahe bei und stromaufwärts von den Luftaustrittsöffnungen (7; 28) angeordnet sind, aus denen Zweitluft mit relativ hoher Strömungsgeschwindigkeit austritt.
4. 4. Brenner nach Anspruch 3,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß der Brennstoff- oder der Gemischstrom in der Nähe der stromaufwärts liegenden Luftaustrittsöffnungen (19; 29), aus denen Zweitluft mit relativ niedriger Strömungsgeschwindigkeit austritt, eine niedrigere Strömungsgeschwindigkeit als außerhalb dieses Bereichs hat.
5. 5. Brenner nach Anspruch 4,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß ein Durchgang (24) für den Brennstoff- bzw. Gemischstrom erweitert ist und nahe den stromaufwärts befindlichen Luftaustrittsöffnungen (19; 29), aus denen Zweitluft mit relativ niedriger Strömungsgeschwindigkeit austritt, versetzte Abschnitte darin ausgebildet sind.
6. 6. Brenner nach Anspruch 4,
   gekennzeichnet durch

   Plammenstabilisierungsglieder (20; 32), die nahe den stromaufwärts liegenden Luftaustrittsöffnungen (19; 29), aus denen Zweitluft mit relativ niedriger Strömungsgeschwindigkeit austritt, angeordnet sind und sich in den Brennstoff- bzw. Gemischstrom im wesentlichen senkrecht zu diesem erstrecken.
7. 7. Brenner nach Anspruch I₁
   gekennzeichnet durch

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   in Wandungen einer Brennkammer stromaufwärts von den Luftaustrittsöffnungen (7> 10), aus denen Zweitluft mit relativ hoher Strömungsgeschwindigkeit austritt, angeordnete Vertiefungen (14), wobei die LuftaustrittsÖffnungen (15), aus denen Zweitluft mit relativ niedriger Strömungsgeschwindigkeit austritt, in den Vertiefungen (14) ausgebildet sind, so daß die aus den Vertiefungen (14) in die Brennkammer strömende Zweitluft relativ niedrige Strömungsgeschwindigkeit hat.
8. 8. Brenner nach Anspruch 1,
   gekennzeichnet durch

   einen Durchgang (24) für den Brennstoff bzw. das Gemisch, und einen in der Mitte dieses Durchgangs (24) längs diesem verlaufenden Zweitluftdurchgang (23), wobei die Luftaustrittsöffnungen, aus denen Zweitluft mit relativ niedriger Strömungsgeschwindigkeit austritt, als Schlitze (28) ausgebildet sind und in dem Zweitluftdurchgang (23) fortlaufend nebeneinanderliegend mehrere derartige Zweitluftaustrittsschlitze (28) so ausgebildet sind, daß sie sich von der Oberfläche des Brennstoff- bzw. Gemischdurchgangs (24) zur stromabwärts gelegenen Seite eines Brennstoff- bzw. Gemischstroms öffnen, so daß die aus den Schlitzen (28) austretenden Zweitluftstrahlen im wesentlichen gleichmäßig in einem Bereich verteilt werden, der von den Seiten des Durchgangs zu dessen stromabwärts befindlicher Seite verläuft.
9. 9. Brenner nach Anspruch 8,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß jeder Zweitluftaustrittsschlitζ (28) an der Innenseite eines oberen Endabschnitts (37), der an der stromabwärts gerichteten Seite liegt, in Form eines Bogens oder eines gewölbten Vielecks ausgebildet ist.

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10. 10. Brenner nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,

    daß der Zweitluftdurchgang (23) an seiner stromaufwärts gerichteten Seite Abschnitte (38) mit größerer Dicke aufweist, daß der Brennstoff- bzw. Gemischdurchgang mit versetzten Abschnitten ausgebildet ist, so daß er erweitert ist, und daß in den Abschnitten (38) mit größerer Dicke Schlitze (39) ausgebildet sind, die in die stromabwärts davon befindlichen Zweitluftaustrittsschlitze (28) übergehend ausgebildet sind.

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