DE3316323A1

DE3316323A1 - Brenner, insbesondere gasbrenner fuer industrielle feuerungsanlagen, sowie brennerkopf hierfuer

Info

Publication number: DE3316323A1
Application number: DE3316323A
Authority: DE
Inventors: Lothar 5013 Elsdorf Mess
Original assignee: Gruenzweig und Hartmann und Glasfaser AG
Current assignee: Saint Gobain Isover G+H AG
Priority date: 1983-05-04
Filing date: 1983-05-04
Publication date: 1984-11-08
Also published as: EP0125184A1; GR79966B; DE3465378D1; EP0125184B1; ES287940U; BR8402071A; ES287940Y

Description

Grünzweig + Hartmann und Glasfaser AG, 6700 Ludwigshafen

Brenner, insbesondere Gasbrenner für industrielle Feuerungsanlagen, sowie Brennerkopf hierfür

Die Erfindung betrifft einen Brenner, insbesondere einen , Gasbrenner für industrielle Feuerungsanlagen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie einen Brennerkopf hierfür.
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Insbesondere bei industriellen Brennern besteht eine häufige Anforderung darin, daß in einen gegebenen Raum eine hohe Wärmemenge pro Zeiteinheit eingebracht werden muß. Dies setzt die Verbrennung einer entsprechend großen Brennstoffmenge mit der im stöchiometrischen Verhältnis stehenden Luftmenge voraus. Diese in einer Brennerflamme ablaufende und die gewünschte Wärmemenge erzeugende Verbrennung führt bei entsprechenden Strömungsgeschwindigkeiten des Brennstoffs und der Verbrennungsluft bei einem gegebenen Brenner zu einer bestimmten Flammenlänge, wobei über die Flammenlänge hinweg in der Regel unterschiedliche Verbrennungsverhältnisse vorliegen und der die Wärme erzeugende Verbrennungsvorgang erst in der Fla'mmenspitze sein Ende findet.

Bei beengten Raumverhältnissen kann die Schwierigkeit auftreten, daß die bei einem gegebenen Brenner der benötigten Wärmemenge entsprechende Brennstoff- und Luftmenge eine zu lange Flamme ergibt, deren Spitze hoher Temperatur zu Stellen gelangt, die einer solchen Temperaturbelastung nicht ausgesetzt werden sollen. Ein Beispiel hierfür etwa ist die Befeuerung einer Glasschmelzwanne, die in der Regel Rechteck-

form besitzt und häufig an ihren Längsseiten mit einer
Vielzahl von oberhalb des Spiegels, der Schmelze ausmündenden Brennern besetzt ist, deren Flammen aufeinander zu gerichtet sind. Wird bei einer solchen Konfiguration eine zu große Flammenlänge erreicht, so treffen die beidseitigen Flammen, selbst wenn die Brenner an jeder Längsseite der Wanne gegeneinander versetzt angeordnet sind, in einem Mittelbereich der Wanne aufeinander und werden durch die
sich einstellende walzenförmige Luftströmung im Mittelbe-

IQ reich der Wanne nach oben abgelenkt, so daß das Gewölbe .
der Wanne einer starken Hitzebelastung ausgesetzt ist und zu schnell verschleißt. Eine Verminderung der Flammenlänge derart, daß die Flammenspitzen nicht mehr im Bereich der Mittellinie der Wanne nach oben abgelenkt werden, setzt

bei gleicher, als optimal ermittelter Anordnung der Brenner eine Verminderung der Brennstoff- und Luftzufuhr voraus , wodurch die in den Wannenbereich eingebrachte Wärmemenge pro Zeiteinheit unter den gewünschten Wert absinken würde. Selbstverständlich sind dabei ohnehin Brenner im

on Einsatz, die eine möglichst intensive Flamme kurzer Länge ergeben, so daß eine Flammenverkürzung bei gleicher Brennerleistung ausscheidet. Da andererseits die Gesamt;-Bren-.nerleistung durch die Energieaufnahme des Schmelzgutes vorgegeben ist, scheidet auch eine wesentliche Herabsetzung

der Brennstoffzufuhr zur Verminderung der Flammenlänge aus, so daß, wenn nicht die gesamte Geometrie der Wanne etwa
durch Verbreiterung auf Kosten der Länge verändert werden soll, der zu hohen Belastung des Gewölbes des Feuerraumes nur durch entsprechend häufigere Reparaturen Rechnung ge-

gO tragen werden kann, die infolge der erforderlichen Stilllegung der Wanne extrem hohe Kosten verursachen.

Es liegt auf der Hand, daß auch bei anderen Einsatzfällen von Brennern'insbesondere im industriellen Bereich eine
g,- sich bei einer gegebenen Brennerleistung einstellende

Flammenlänge in ähnlicher Weise nachteilig in Erscheinung tritt, jedoch bei vorgegebener Brennerleistung nicht vermieden werden kann.

Soweit die Verbrennungsluft etwa durch Wärmetausch mit dem Abgas bei derartigen Brennern nur bis etwa 700⁰C vorgewärmt wird, kann die Zufuhr der Verbrennungsluft konzentrisch zum Brennerkopf und damit symmetrisch zum Brennstoff erfolgen. Hierdurch ergibt sich eine bestmögliche Vermischung von Verbrennungsluft und Brennstoff. Wenn jedoch eine stärkere Vorwärmung der Verbrennungsluft erfolgen kann, was grundsätzlich anzustreben ist, so daß also Verbrennungsluft mit einer Temperatur von mehr als 700°C, ggf.

^q auch mehr als 1000⁰C zur Verfügung steht, so ist infolge der Beschränkung der Temperaturbelastung des Materials des Brennerkopfes, üblicherweise Stahl, eine Zuführung der Verbrennungsluft unmittelbar am Brennerkopf nicht mehr möglich. Es wird dann die Verbrennungsluft in einem gemauerten Kanal oberhalb des Brennerkopfes der Flammenwurzel zugeführt, wobei in der Regel die Achse des Brennerkopfes leicht, um etwa 11° nach oben geneigt ist, während die Achse des Zufuhrkanales für Verbrennungsluft im spitzen Winkel von beispielsweise 22° nach unten geneigt ist, um so eine gegenseitige Durchdringung von Brennstoff und Verbrennungsluft zu begünstigen. Durch die ungünstigere unsymmetrische Zuführung der Verbrennungsluft bei derartigen sogenannten Unterbordbrennern benötigen Brennstoff und Verbrennungsluft jedoch eine relativ große gemeinsame Wegstrecke zur Erzielung einer vollständigen Verbrennung und ergibt sich damit eine entsprechend lange Flamme, die häufig nicht erwünscht ist. Um wenigstens in unmittelbarer Nachbarschaft des Brennerkopfes bereits eine Vorverbrennung zu erzielen, bevor die Masse der Verbrennungsluft in den Brennstoffstrahl eintritt, und um auf diese Weise eine gewisse Verkürzung der Flamme zu erzielen, ist es bekannt, am Umfang des Brennerkopfes nicht vorgewärmte Luft, sogenannte Falschluft, absicntlich zuzufordern. Hierdurch wird die Flammenlänge jedoch nur unwesentlich verkürzt und ist für viele Anwendungsfälle immer noch erheblich zu groß, während die angesaugte kalte Primärluft den Brennerwirkungsgrad beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einem Brenner der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben nen Gattung, wie er beispielsweise aus der FR-OS 24 58 749 bekannt ist, einen Brenner zu schaffen, der bei gegebener Brennerleistung und gegebener Art der Luftzuführung eine extrem kurze Flamme mit intensiver Verbrennung ergifo-t.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Dadurch wird erreicht, daß der Brennstoff aus einem durch die Stirnwand des Brennerkopfes abgeschlossenen, der Brennstoffvorlage dienenden Innenraum des Brennerkopfes mit hoher Geschwindigkeit durch die Austrittsöffnungen für den Brenn-

. c stoff in diskreten, symmetrischen Strahlen hindurchströmt, wobei diese Brennstoffstrahlen einander in der Brennerachse mit hoher kinetischer Energie in einem Punkt treffen. Da die Lage und Ausrichtung der Austrittsöffnungen für den Brennstoff bezüglich der Brennerachse völlig symmetrisch ist, erfolgt am Auftreffpunkt der Strahlen in der Brennerachse eine feine Vereinzelung der Brennstoffteilchen unter Ausbildung eines vom Brennermund weg geöffneten Brennstoffkegels mit homogener Ausfüllung durch Brennstoffteilchen. Die herangeführte vorgewärmte Verbrennungsluft wird durch

2g den von dem aus den Austrittsöffnungen austretenden Brennstoffstrahlen erzeugten lokalen starken Unterdruck im Anschluß an die Stirnwand des Brennerkopfes erfaßt und in Richtung auf die Brennerachse hin abgelenkt, so daß die Verbrennungsluft mit einer in Richtung auf die Brennerachse

gO hiⁿ gerichteten Komponente in den durch die Brennstoffstrahlen hinter den Auftreffpunkt gebildeten Kegel eintritt und dort äußerst intensiv mit den feinen Brennstoffteilchen vermischt wird, die in Richtung von der Brennerachse weg streben. Insbesondere bei konzentrischer Zuführung der Verbrennungsluft ergibt sich so eine allseitige Eindringung der Verbrennungsluft in den Brennstoffkegel und eine praktisch absolut homogene Durchmischung. Auf diese Weise läßt sich überraschend eine'so intensive Verbrennung erzeugen,

daß mit dem bloßen Auge eine Flamme überhaupt nicht mehr wahrgenommen wird, da die Flamme infolge der hohen Energiedichte nur noch Strahlen im Ultraviolett-Bereich erzeugt. Diese außerordentlich hohe Verbrennungsintensität ergibt eine entsprechende Verkürzung der Verbrennungslänge und damit der Flammenlänge, so daß die erforderliche Wärmeleistung in einer entsprechend kürzeren Flamme erzielt werden kann.

-^q Radial nach innen weisende Austrittsöffnungen an Brennern sind bei Wirbelstrombrennern zwar an sich bekannt, wie dies beispielsweise aus der internationalen Patentanmeldung 80/02452 ersichtlich ist. Abgesehen davon, daß hier nicht die Brennstoffstrahlen, sondern die Verbrennungsluft-

^g strahlen durch entsprechend ausgerichtete Austrittsöffnungen geführt werden, weisen die Mittelachsen der Austrittsöffnungen jedoch nicht exakt auf einen gemeinsamen Punkt der Brennerachse, sondern sind vielmehr windschief zur Brennerachse angeordnet, um eine Wirbelströmung um die Brennerachse herum zu erzeugen. Das im Rahmen der Erfindung zur Ausbildung eines Kegels mit homogener Anfüllung fein verteilter Brennstoffteilchen genutzte Phänomen einer vollständig symmetrischen Zusammenführung gleicher Brennstoffstrahlen auf einen Punkt der Brennerachse tritt hierbei nicht auf, da die Wirbelstrahlen zwar einen gebogenen Verlauf besitzen, jedoch als diskrete Strahlen erhalten bleiben und erst allmählich auffächern, so daß eine Verbrennung lediglich in der konventionellen Weise ermöglicht wird.

In der Filtertechnik ist es an sich bekannt, zwei Strahlen von Waschflüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit gegeneinander zu führen und auf diese Weise äußerst fein zu zerstäuben, um mit den zerstäubten Flüssigkeitsteilchen Feststoffpartikel in der Gasströmung zu binden und auszuscheiden. Als Beispiele für solche Anordnungen sei auf die FR-OSen 22 78 379 oder 23 59 626 oder die EP-OS 62 586 hingewiesen. Hierbei wird offensichtlich ein ähnlicher Wirkungsmechanismus genutzt, wie er im Falle der Erfindung zur

feinen Verteilung des Brennstoffs im Raum genutzt wird, wenn auch hier regelmäßig mittels nur zweier Flüssigkeitsstrahlen ein flächiger Flüssigkeitsvorhang erzeugt wird. Eine solche flächige Ausbildung des Zerstäubungsfeldes ist bei einem Brenner mit massiver Verbrennungsluftzuführung nicht anwendbar, da hier eine Flammenzunge einer etwa der Zungenhöhe entsprechenden Zungenbreite erzeugt werden soll, in deren Inneren eine hohe Wärmemenge bei hoher Temperatur freigesetzt werden soll. Der gewünschte

ig heftige Ablauf des Verbrennungsvorganges setzt somit eine kompakte Flamme voraus und schließt einen dünnen Vorhang aus brennenden Brennstoffteilchen aus, wobei überdies in den Seitenbereichen eines derartigen flächigen Vorhanges eine ausreichend homogene Durchmischung der Brennstoff-

"Lg teilchen mit Verbrennungsluft sicherlich nicht erzielt werden könnte. Daher arbeitet ein erfindungsgemäßer Brenner mit wenigstens drei Brennstoffstrahlen, bevorzugt mit vier Brennstoffstrahlen, die völlig symmetrisch angeordnet sind und überraschend keinerlei Unterschiede in der Partikelverteilung des hierdurch gebildeten räumlichen Sprühkegels ergeben, so daß zumal bei konzentrischer Zuführung der Verbrennungsluft sich um die Brennerachse herum überal-1 völlig gleiche Vermischungs- und Verbrennungsverhältnisse ergeben.

Abgesehen von diesem grundsätzlichen Unterschied stand aufgrund der Erkenntnisse im Zusammenhang mit der Zerstäubung von Waschflüssigkeit etwa in einem Rauchgaskanal aber auch nicht zu erwarten, daß mit einer entsprechenden Modifizierung des dortigen physikalischen Wirkungsprinzips bei einer Anwendung auf Brennstoffstrahlen in einem Brenner die weiter oben geschilderte Intensivierung der Verbrennung und wesentliche Verkürzung der Flamme erreicht werden könnte. Diese erhebliche Intensivierung der Verbrennung hat eine wesentliche Ursache in dem zwischen der Stirnwand des Brennerkopfes und dem Auftreffpunkt der Brennstoffstrahlen vor dem Brennerkopf erzielten starken Unterdruck, der die Verbrennungsluft in den gebildeten Brennstoff-Sprühkegel hineinzieht. Dieses Phänomen tritt einerseits bei der Er-

zeugung einer im wesentlichen zweidimenszonalen Sprühmatte nicht in einem entsprechenden Umfang auf, und wäre anderer seits bei der Erzeugung tines solchen Waschflüssigkeitsvorhanges in einem Rauchgasstrom auch nutzlos.

■ Die Unteransprüche 2 bis 10 haben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brenners zum Inhalt.

Im Anspruch 11 ist ein Brennerkopf für einen erfindungsge- -^Q mäßen Brenner beansprucht. Ein solcher Brennerkopf ist ein selbständig handelbares Teil, welches zur Erzielung der erfindungsgemäßen Wirkungen eines Brenners auch in bestehende Brenner eingebaut werden kann. In der Tat erforderte beispielsweise eine durchgeführte Umstellung der Feuerung einer Glasschmelzwanne von konventionellen Brennern auf erfindungsgemäße Brenner lediglich die Befestigung eines derartigen Brennerkopfes am vorhandenen Gaszuführrohr konzentrisch innerhalb eines vorhandenen Zuführkanales für Verbrennungsluft, wobei lediglich noch 2Q beim Standardbrenner vorgesehene Einstellhandhaben für die Flammeneinstellung entfallen konnten» da der Brenner bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Brennerkopfes keinerlei Einstellmaßnahmen bedurfte.

on Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform anhand der Zeichnung.

Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Glasschmelzwahne

mit Befeuerung durch erfindungsgemäße Brenner zur Veranschaulichung eines besonders geeigneten Anwendungsfallies für einen erfindungsgegpmäßen Brenner,

Fig. 2 die Einzelheit aus Kreis II in Fig. 1 in stark vergrößerter Darstellung, wobei der erfindungs-

gemäße Brenner in einem Längsschnitt dargestellt

ist,

Fig. 3 den Brennerkopf des Brenners gemäß Fig^ 2 in natürlicher Größe mit einer Veranschaulichung

des sich ergebenden Sprühkegels im Wasserversuch, also ohne Beeinflussung durch die beim Brenner gemäß Fig. 2 konzentrisch zugeführte Verbrennungs luft, und

Fig. 4 einen Teilschnitt durch eine Schmelzwanne mit

einem sogenannten Unterbordbrenner, bei dem die Verbrennungsluft aus einem gemauerten Kanal von oberhalb der Flamme zugeführt wird.

Zur Verdeutlichung eines im Betrieb bereits erprobten Anwendungsfalles für einen erfindungsgemäßen Brenner ist in Figur 1 in einem Querschnitt eine Glasschmelzwanne 1 veranschaulicht. Die Glasschmelzwanne 1 möge im Beispielsfalle eine Breite b von 4,60 m und eine Länge von 15m senkrecht zur Zeichenebene aufweisen und besteht aus einer Unterwanne 2 zur Aufnahme der Glasschmelze, deren Spiegel strichpunktiert bei 3 veranschaulicht ist, und einem Feuerraum 4, der zur oberseitigen Beheizung der Glasschmelze dient und

jQ oben durch ein Gewölbe 5 aus feuerfestem Material abgeschlossen ist. Zu beiden Längsseiten der Glasschmelzwanne 1 mögen im Beispielsfalle je 35 Brenner 6 der weiter unten noch näher erläuterten Bauart angeordnet sein, die im Beispielsfalle konzentrisch zu ihrer Brennerachse 6a einen

_1{- Zuführkanal 7 für Brennstoff, im Beispielsfalle Gas, in Form eines Rohres 8 und konzentrisch um diesen herum einen Zufuhrkanal 9 für vorgewärmte Verbrennungsluft sowie im Bereich der Brennermündung einen Brennerkopf 10 der weiter unten noch näher erläuterten Bauart aufweisen. Die Verbren-

2Q nungsluft wird im Wärmetausch mit den aus dem Feuerraum 4 in nicht näher dargestellter, üblicher Weise abgeführten Abgasen auf eine Temperatur von rund 600° Celsius .vorgewärmt und so dem Zuführkanal 9 für Verbrennungsluft und damit dem Brenner 6 zugeführt.

In der weiter unten noch näher erläuterten Weise ergibt

sich durch die erfindungsgemäßen Brenner 6 eine kurze intensive Flamme 11, wie sie in Figur 1 schematisch angedeutet ist. Im Bereich der Mittellinie 1a der Glaswanne tref-_Qn fen die beiden von den Brennern 10 zu jeder Seite der Glas-

schmelzwanne 1 eingeführten Gasströme aufeinander und steigen gemäß Pfeilen 12 nach oben in Ricntung auf das Gewölbe 5, wo sie wiederum nach außen zurückgelenkt werden und die in der Zeichnung schematisch durch die Pfeile 12 veranschaulichte Gaswalze ergeben. Die Gaswalze 12 liegt in einer Längsströmung im Feuerraum 4 in Richtung auf den Abgasschacht hin, so daß die heißen Abgase zu beiden Seiten der Längsmittellinie 1a der Glasschmelzwanne 1 im Feuerraum

spiralig dem Abgasschacht zustreben. Dabei hält die Gaswalze gemäß den Pfeilen !2 die Flamme 11 im Bereich der Oberfläche 3 der Glasschmelze, so daß dort ein intensiver Wärmeübergang stattfindet.
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Wie ohne weiteres ersichtlich ist, treffen die im Bereich der Längsmittellinie 1a aufeinandertreffenden, heißen Gasströme auf die Innenseite d3s Gewölbes 5 und belasten diese thermisch. Wenn die Verbrennung in der Flamme 11 langsamer als in Figur 1 veranschaulicht abläuft, und damit die Flamme 11 bis zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffes entsprechend länger wird, so treffen die beiden Gasströme in einem Bereich aufeinander, in dem noch Verbrennung stattfindet. Es werden dann die beiden Flammen- ; spitzen mit der Gasströmung 12 nach oben umgelenkt, so daß unmittelbar vor dem Auftreffen der Gase auf das Gewölbe 5 , noch Verbrennung stattfindet und entsprechend hohe Gastemperatur vorherrscht. Hierdurch wird das Gewölbe 5 über Gebühr belastet und muß in relativ kurzen Zeitabständen repariert werden.

Bezüglich der auftretenden Belastungen ist zu beachten, daß beim veranschaulichten Anwendungsfall in dem betrachteten Querschnitt eine Feuerraumbelastung durch die Bren- :

ner 6 von im betrachteten Beispielsfalle 80 kcal/m³ s auf- ' tritt, und diese Feuerraumbelastung erforderlich ist, um der Schmelze 3 die gewünschte Wärmemenge zuzuführen. Hierzu werden im Bereich der Brennerköpfe 10 pro Brenner rund 100 m³/h Gas und rund 1000 m³/h Verbrennungsluft in den Feuerraum 4 eingeführt und in der- jeweiligen Flamme 11 verbrannt, wird also insgesamt zur Erzielung einer Tagesleistung der Glasschmelzwanne 1 von 200 Tonnen Glasschmelze an den insgesamt 70 Brennern pro Sekunde eine Gasmenge von rund 2 m³ mit der zehnfachen Verbrennungsluftmenge verbrannt.

Dabei strömt die Verbrennungsluft durch den Zufuhrkanal 9 mit einer Geschwindigkeit von rund 30 m/s, entsprechend also rund 100 km/h in den Feuerraum 4 mit einem Querschnitt von rund 9 m² hinein, so daß die im Brennstoff-Luft-Gemisch

gebildete Flamme 11 bereits voll an die Innenseite des Gewölbes 5 schlägt,wenn die Verbrennung nur etwa eine Sekunde andauert, so daß die Verbrennung zur Erzielung kurzer Flammen 11 in Bruchteilen einer Sekunde vollständig abgelaufen sein muß.

Zur Erzielung einer solchen schnellen Verbrennung sind bekannte Brenner nicht in der Lage, wohl aber ein erfindungsgemäßer Brenner, wie er in Figur 2 näher veranschaulicht ist und dessen Brennerkopf 10 in Figur 3 in Einzelheiten und natürlicher Größe im Wasserversuch dargestellt ist.

Am vorderen Ende des den Zufuhrkanal 7 für den Brennstoff umschließenden Rohres 8 trägt dieses ein Außengewinde 13, auf das ein Innengewinde 14 am hinteren Ende des Brennerkopfes 10 aufgeschraubt ist. Der Brennerkopf 10 besteht aus einem Zylinderkörper 15, der das Innengewinde 14 trägt und in einfacher Weise als Drehteil hergestellt sein kann, und einer Stirnwand 16, welche an der dem Gewinde 14 abgewandten Seite des Zylinderkörpers 15 einen als Brennstoffvorlageraum dienenden Innenraum 17 des Brennerkopfes 10 abschließt. Die Stirnwand 16, die in der veranschaulichten Weise mit dem Zylinderkörper 15 verschweißt·sein kann, ist etwa tellerartig mit einer Mulde versehen, deren Boden 16a konzentrisch zur Brennerachse 6a liegt. Rund um den Boden 16a verteilt sind in den schrägen Seitenteilen der Stirnwand 16 vier Austrittsöffnungen 18 jeweils paarweise einander gegenüber liegend in völlig, symmetrischer Anordnung zur Brennerachse 6a angeordnet und derart in Richtung auf den Feuerraum 4 schräg nach vorne geneigt, daß sich die Verlängerungen der Mittelachsen 18a der Austrittsöffnungen 18 alle in einem einzigen Punkt 19 treffen, der auf der Brennerachse 6a liegt bzw. auf der an derselben Stelle liegenden Achse des Brennerkopfes 10.

Die Austrittsöffnungen 18 sind, wie dies besser aus Figur 3 ersichtlich ist, durch eine Bohrung gebildet, die eine zylindrische Innenfläche 18b der Stirnwand 16 als ümfangs-

AS-

begrenzung der Austrittsöffnungen 18 ergibt. Die axiale Länge der Innenfläche 18b der Austrittsöffnungen 18 ist mit mehreren Millimetern, im Beispielsfalle mit etwa 8 mm so gewählt, daß sich ohne zusätzliche Maßnahmen eine ausreichende Bündelung und Ausrichtung eines durch die Austrittsöffnungen 18 hindurchgedrückten Fluidstrahles ergibt. An der dem Innenraum 17 des Brennerkopfes 10 zugewandten Seite der Austrittsöffnungen 18 schließt sich jeweils eine konische Einströmerweiterung 20 an, die in der veranschaulichten Weise mit ihrer der Brennerachse 6a benachbarten Innenfläche im wesentlichen parallel zur Brennerachse 6a liegt und so die Umlenkung für eine Einströmung in die Ausströmöffnungen 18 aus dem Innenraum ί7 vermindert.

Wie aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich ist, treffen sich durch die Austrittsöffnungen 18 hindurchtretende' Brennstoff strahlen 21 alle exakt im Punkt 19 und erzeugen dort einen Sprühkegel 22, der, wie Untersuchungen ergaben, im Unterschied zu den Sprühstrahlen in Strömungsrichtung vor dem Auftreffpunkt 19 umfangsseitig absolut homogen ausgebildet ist und in dieser homogenen Verteilung außerordentlich feine Brennstoffteilchen enthält. Die Gründe für die Ausbildung eines solchen sauberen und absolut homogen nen Sprühkegels 22 aus ganz feinen Brennstoffteilchen aus im Beispielsfalle 4 kompakten Brennstoffstrahlen mit einem Durchmesser von je im Beispielsfalle 8 mm sind noch nicht abschließend geklärt. Versuche lassen jedoch vermuten, daß im Auftreffpunkt 19 die Teilchen eines Strahles 21 nur zum Teil, unter Umständen zu einem vernachlässigbar geringen Teil durch die Teilchen eines anderen Strahles hindurch traten und in der Verlängerung des betrachteten Strahles 21 tatsächlich im Sprühkegel 22 auftreten. Ein sehr großer Teil der in den Strahlen 21 kompakt enthaltenen Brennstoffpartikel prallt am Auftreffpunkt 19 hingegen zurück und findet sich im Sprühkegel 22 in demjenigen Umfangsbereich wieder, aus dem der zugehörige Strahl 21 kam. Dabei sind offensichtlich die individuellen Auftreff-

oder Rückprallbedingungen für jedes einzelne Teilchen einer solchen statistischen Verteilung unterworfen, daß sich insgesamt die homogene Verteilung über den Querschnitt des Sprühkegels 22 aus der inhomogenen Verteilung in den Strahlen 21 ergibt. In diesem Zusammenhang ist möglicherweise bemerkenswert, daß der Winkel zwischen den Strahlen 21, der im Beispielsfalle 90° beträgt,natürlich den öffnungswinkel des Sprühkegels 22 beeinflußt, dieser jedoch etwas geringer ist als der Auftreffwinkel der Strahlen 21, im Beispielsfalle bei etwas über 80° liegt. Dies könnte daraufhin deuten, daß die in den Strahlen 21 enthaltenen Teilchen mit einem gegenüber ihrem Auftreffwinkel verminderten Ausfallwinkel den Auftreffpunkt 19 verlassen und dafür gegebenenfalls in Umfangsrichtung zusatzliehe Winkelabweichungen durchführen, die zur homogenen Ausfüllung des Sprühkegels 22 führen.

Orientierungsversuche haben ergeben, daß die Ausbildung eines homogenen Sprühkegels grundsätzlich erzielbar ist, wenn der Winkel zwischen jedem Strahl 21 und der Brennerachse 6a bzw. der Achse des Brennerkopfes 10 zur Seite der Stirnwand 16 hin gemessen mindestens 15° beträgt, was einen relativ schlanken Sprühkegel 22 ergibt, und höchstens etwa 75° beträgt, was zu einem sehr weit Öffnenden Sprühkegel 22 führt. Zweckmäßig wird der Winkel zwischen den Strahlen 21 und der Brennerachse 6a jedoch auf einen Bereich zwischen 30° und 60°, bevorzugt zwischen 40° und 50° eingestellt, wobei sich bei dem veranschaulichten Fall eines Winkels von 45° im Rahmen des erläuterten Einsatzfalles beste Ergebnisse zeigten.

Die Zahl der Austrittsöffnungen 18 ist weitgehend beliebig, soweit sie mindestens drei beträgt. Auch bereits bei drei symmetrisch angeordneten Austrittsöffnungen 18 ergibt sich ein homogener Sprühkegel 22, ebenso wie bei den im Beispielsfalle veranschaulichten vier Austrittsöffnungen 18 oder etwa sechs Austrittsöffnungen 18. Die Wahl der Anzahl der Austrittsöffnungen wird somit auf Grund anderer

Zweckmäßigkeitsüberlegungen zu 'treffen sein,

Bei einer tatsächlich getesteten Anordnung wurde Verbrennungsluft im Zuführkanal 9 mit einer Geschwindigkeit von . etwa 30 m/s und Gas im Zufuhrkanal 7 mit einer Geschwindigkeit von etwa 15 m/s zum Innenraum 17 des Brennerkopfes 10 zugeführt. Da die Verbrennungsluft auf etwa 600° C vorgewärmt ist, kann ihre Vermischung mit dem Brennstoff erst im Bereich des Brennermundes erfolgen, um vorzeitige Ent-Zündungen zu vermeiden. Die Verbrennungsluft wird in der veranschaulichten Weise konzentrisch um den Brennerkopf 10, dessen Zylinderkörper 15 umfangseitig geschlossen ist, zugeführt und strömt zunächst frei über die Vorderkante des Brennerkopfes 10 im Bereich der Stirnwand 16.

Hinter der Vorderkante der Stirnwand 16 herrscht infolge der Ausbildung der Strahlen 21 ein starker Unterdruck. Hierzu wird die Gesamt-Querschnittsfläche der Austrittsöffnungen 18 im Verhältnis zum Querschnitt des Innenraums j 17 des Brennerkopfes 10 in einem Verhältnis zwischen etwa \ 1:5 und 1:20, im Beispielsfalle bei etwa 1:10 gewählt. : Damit wird den Strahlen 21 im Beispielsfalle eine-Geschwin-; digkeit von etwa 140 m/s, also etwa halbe Schallgeschwin- ^; digkeit erteilt. Diese hohe Geschwindigkeit im Beispiels- ; falle des Gases in den Strahlen 21 ergibt einen ähnlichen \ Effekt wie bei einer Wasserstrahlpumpe, also einen drastischen Druckabfall in der Nachbarschaft der Oberflächen der Strahlen 21. Hierdurch sieht sich die über die Vorderkante der Stirnwand 16 strömende Verbrennungsluft unmittelbar an der Vorderkante der Stirnwand 16 einem extrem starken Unterdruck ausgesetzt, der die Verbrennungsluft trotz ihrer relativ hohen Strömungsgeschwindigkeit stark nach innen ablenkt, wie dies in Figur 2 durch Strömungslinien 23 schematisch veranschaulicht ist. Auf diese Weise wird die Strömung der Verbrennungsluft auf die rückwärtige Fläche des Sprühkegels 22 gerichtet und dringt fast rechtwinklig mit hoher Geschwindigkeit in diesen ein. Auf diese Weise erfolgt eine außerordentlich intensive und be-

reits kleinste betrachtete Raumelemente voll erfassende homogene Durchmischung zwischen den ganz fein zerteilten Brennstoffteilchen und der Verbrennungsluft, so daß sich eine außerordentlich intensive ur.d schnell ablaufende Verbrennung ergibt. Im Beispielsfalle war die Verbrennung so stark, daß von der gesamten Flamme 11 im Bereich des sichtbaren Lichtes nichts zu erkennen war, und fotographische Aufnahmen von der Flammenform nur im UV-Bereich hergestellt werden konnten. Mit dem bloßen Augen konnte man _n von der einen Stirnseite des rund 15 m langen Feuerraumes 4 Einzelheiten an der gegenüberliegenden Stirnseite erkennen, lediglich gestört durch starke Flimmererscheinungen, während bei konventionellen Brennern die Sichtweite infolge der Flammenausbildung allenfalls einige Dezimeter betrug.

-p. Es ergab sich etwa die in Fig. 1 veranschaulichte Ausbildung der Flamme 11, die in deutlichem Abstand von der vertikalen Mittellinie la des Feuerraums 4 endete, so daß die hohe Energie in der Flamme 11 weitestgehend auf die Oberfläche 3 der Schmelze übertragen werden konnte, während

2Q in der Aufwärtsströmung im Bereich der Mittelachse la des Feuerraumes 4 bereits deutliche Abkühlung der Rauchgase auftreten konnte und so die Innenseite des Gewölbes 5 vor übermäßiger Hitzebelastung und Erosion geschützt war.

2g In Fig. 4 ist die Erfindung am Beispielsfalle eines sogenannten Unterbordbrenners für eine rekuperative Glasschmelzwanne I¹ veranschaulicht. Der Glasschmelzwanne 1* ist ein Vorwärmer 25 zugeordnet, in dem die Verbrennungsluft im Beispielsfalle auf eine hohe Temperatur von etwa

on 1200°C vorgewärmt werden kann. Infolge dieser hohen Temperatur der Verbrennungsluft kann diese nicht mehr unmittelbar am Umfang des gegenüber der vorherigen Ausführungsform unveränderten Brennerkopfes 10 zugeführt werden. Die Zuführung der Verbrennungsluft erfolfgt vielmehr über einen

gg gemauerten Zufuhrkanal 9¹, aus dem die Verbrennungsluft mit einer Geschwindigkeit von im Beispielsfalle 12 m/s unter einem Winkel von etwa 22° gegenüber dem mit 3' bezeichneten Spiegel der Schmelze nach unten geneigt von

oben her in Richtung auf die Wurzel der Flamme 11' strömt. Der Brennerkopf 10 des in der Zeichnung mit 6' bezeichneten Brenners, der einen rohrförmigen Zuführkanal 7'für Gas aufweist, weist eine gegenüber der Oberfläche 3' der Schmelze im Winkel von etwa 11° nach oben gerichtete Brennerachse 6a¹ auf, so daß der Brennerkopf 10 und der von diesem gebildete Sprühkegel um etwa die Hälfte des Betrags nach oben geneigt ist, um den die ausströmende Verbrennungsluft nach unten geneigt ist. Der Brennerkopf 10 sitzt

_n im unteren Bereich der Mündung des Zufuhrkanales 9' für Verbrennungsluft und erzeugt dort in der weiter oben geschilderten Weise den Sprühkegel aus Brennstoff zur Bildung der Flamme 11', wobei unmittelbar vor dem Brennerkopf 10 in der ebenfalls weiter oben geschilderten Weise

p. starker Unterdruck erzeugt wird. Durch diesen extremen

Unterdruck wird die von oben aus dem Zuführkanal 9' herangeführte Verbrennungsluft nach unten in den Sprühkegel hinein abgelenkt und durchsetzt diesen weitgehend homogen, um in der oben geschilderten Weise eine schnelle Verbren-2Q nung zu gewährleisten.

Es hat sich gezeigt, daß bei konzentrischer Zuführung der Verbrennungsluft bei gleicher Brennerleistung eine hoch kürzere Flamme erzielbar ist als bei einem Unterbordbrenner

„c gemäß Fig. 4. Gegenüber der extrem großen Flammenlänge üblicher Unterbordbrenner ergibt sich jedoch eine äußerst drastische Verkürzung der Flamme 11' durch die homogene Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft bereits im Bereich der Flammenwurzel und nachfolgendem schnellen

OQ Verbrennungsablauf.

Die Erfindung ist nicht auf das Gas als Brennstoff beschränkt, da auch bei einem flüssigen oder entsprechend fluidisierten Brennstoff bei Bündelung in den Strahlen ₃g 21 ein entsprechender Sprühkegel 22 erzeugt werden kann und keine grundsätzlich anderen Verhältnisse vorliegen. Somit kann der*Brenner 6 oder 6' auch als Zerstäubungsbrenner beispielsweise für Öl grundsätzlich Verwendung finden.

Claims

Grünzweig + Hartmann und Glasfaser AG, 6700 Ludwigshafen

Patentansprüche

Brenner, insbesondere Gasbrenner für industrielle Feuerungsanlagen, mit wenigstens einem Zuführkanal für Verbrennungsluft und einem in einen Brennerkopf mündenden Zuführkanal für Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennerkopf (10) auf Seiten des Brennermundes mit einer Stirnwand (16) versehen ist, die eine Mehrzahl von wenigstens drei symmetrisch zur Brennerachse (6a; 6a¹) angeordneten und untereinander gleich ausgebildeten Austrittsöffnungen (18) für den Brennstoff aufweist, und daß die Verlängerungen der Mittelachsen (18a) der Austrittsöffnungen (18) einander in einem auf der Verlängerung der Brennerachse (6a; 6a¹) liegenden Punkt (19) treffen und mit der Brennerachse (6a; 6a¹) gleiche, zur Stirnwand (16) hin liegende spitze Winkel zwischen etwa 15° und 75° einschließen.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Stirnwand (16) vier Austrittsöffnungen (18) für den Brennstoff vorgesehen sind.
3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den Verlängerungen der Mittelachsen (18a) der Austrittsöffnungen (18) und der Brennerachse.(6a; 6a¹) zwischen 30° und 60° liegt.
4- Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den Verlängerungen der Mittelachsen (18a) der Austrittsöffnungen (18) und der Brenner-

achse (6a; 6a') zwichen 40° und 50°, insbesondere bei 45° liegt.
5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge-' kennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (18) durch eine zylindrische Innenfläche (18b) der Stirnwand (16) mit einer axialen Länge von mehreren Millimetern, insbesondere von mehr als 5 mm begrenzt sind.

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6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (18) für den Brennstoff an ihrer Seite, die dem der Brennstoffvorlage dienenden Innenraum (17) des Brennerkopfes (10) benachbart ist, eine konische Einströmerweiterung (2O)

■^5 besitzen.
7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Gesamtquerschnittsflächen der Austrittsöffnungen (18) zur Querschnittsfläche des der Brennstoffvorlage dienenden Innenraums

(17) des Brennerkopfes (10) zwischen 1:5 und 1:20, insbesondere bei 1:10 liegt.
8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennerkopf (10) an seinem der Stirnwand (16) abgewandten Ende ein Innengewinde (14) zum Aufschrauben auf ein den Zuführkanal (;7') für den Brennstoff enthaltendes Rohr (8) aufweist.
9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführkanal (9) für Verbrennungsluft eine ringförmige, den Brennerkopf (10) konzentrisch umgebende. Mündung aufweist.
10. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführkanal (9¹) für Verbrennungsluft oberhalb des Brennerkopfes (10) ausmündet und in einem spitzen Winkel von insbesondere etwa 22°

gegenüber der Horizontalen nach unten geneigt ist, während die Achse (6a¹) des Brenners (6¹) in einem spitzen Winkel von insbesondere etwa 11° gegenüber der Horizontalen nach oben geneigt ist.
11. Brennerkopf für einen Brenner nach einem der Ansprüche

1 bis 10, gekennzeichnet durch seine Ausbildung als umfangsseitig geschlossener Zylinderkörper (15) mit Abschluß durch eine Stirnwand (16) an einem seiner Enden,

IQ sowie weiter dadurch, daß die Stirnwand (16) eine Mehrzahl von wenigstens drei symmetrisch zur Achse (6a) des Brennerkopfes (10) angeordneten und untereinander gleich ausgebildeten Austrittsöffnungen (18) für den Brennstoff aufweist, und daß die Verlängerungen der Mittelachsen (18a) der Austrittsöffnungen (18) einander in einem auf der Verlängerung der Achse des Brennerkopfes (10) liegenden Punkt (19) treffen und mit der Achse des Brennerkopfes (10) gleiche, zur Stirnwand (16) hin liegende spitze Winkel zwischen etwa 15° und 75° einschließen.
12. Brennerkopf nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch wenigstens eines der kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 2 bis 8.