DE3823599A1 - Vorrichtung zum verbrennen fluessiger oder gasfoermiger brennstoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbrennen flüs­ siger oder gasförmiger Brennstoffe, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Vorrichtungen sind allgemein bekannt, insbesondere auch im Zusammenhang mit der Verbrennung fester Brennstoffe in pulverisierter Form. Die bekannten Vorrichtungen weisen mindestens zwei, vorzugsweise vier konzentrische Luftein­ trittsöffnungen mit Drallelementen auf, wobei die Ringspalt­ weiten vorzugsweise veränderbar sind. Es wird dazu u. a. auf die ebenfalls auf den Erfinder zurückgehende DE-C-35 20 781 verwiesen. Allen bekannten Vorrichtungen liegt selbstverständ­ lich die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennung mit hohem Wir­ kungsgrad zu erreichen, wobei dies unter anderem von der Fein­ verteilung des in den Verbrennungsraum eingeleiteten Brenn­ stoffs abhängt. Zu diesem Zweck ist in der DE-C-35 20 781 eine Brennstoff-Eintrittsöffnung in Form einer umlaufenden Schneide von etwa dreieckförmigem Querschnitt vorgeschlagen, wobei an der dem Verbrennungsraum abgewandten Seite der Schneide radial gerichtete Lufteintrittsöffnungen angeordnet sind, die sich in Verlängerung der genannten Seite der Schnei­ de erstrecken. Durch diese Maßnahmen wird zum einen eine hohe Feinverteilung des eingeleiteten Brennstoffs und zum anderen eine hohe Lebensdauer der Brennstoff-Eintrittsöffnung ge­ währleistet. Die eingeblasene Druckluft hält die Schneidkan­ te frei von Brennstoff und auch Ablagerungen, so daß dauer­ haft eine einwandfreie bzw. gute Verbrennung sichergestellt ist, und zwar selbst dann, wenn feste Brennstoffe eingesetzt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei der Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe einen noch höheren Wirkungsgrad zu erreichen aufgrund einer extrem hohen Feinverteilung des eingeleiteten Brennstoffs.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

An den erfindungsgemäß vorgesehenen Breitschlitzdüsen bilden sich jeweils flache bzw. abgeflachte Einzel-Sprühkegel, die in der Summe eine extreme Feinverteilung des eingeleiteten Brennstoffs bewirken. Dementsprechend groß ist die freie Brennstoff-Oberfläche mit der Folge einer entsprechend rück­ standsfreien Verbrennung. Selbstverständlich geben die er­ findungsgemäßen Maßnahmen nur dann Sinn, wenn der Brennstoff unter ausreichend hohem Druck in den Verbrennungsraum einge­ leitet wird.

Die Auffächerung des Brennstoffs läßt sich zusätzlich erhöhen durch die Maßnahmen nach Anspruch 2 bzw. 3. Der Brennstoff fächert beim Verlassen der Breitschlitzdüsen regelrecht spon­ tan auf. Dadurch wird auch erreicht, daß eine praktisch voll­ ständige Verbrennung mit einer relativ kurzen und zentral rezirkulierenden Flamme erfolgt. Letztgenannter Effekt wird begünstigt durch die Maßnahmen nach Anspruch 5 und/oder 6.

Durch die Maßnahme nach Anspruch 4 wird eine Auffächerung des eingeleiteten Brennstoffs in Umfangsrichtung durch Brennstoff, der durch eine benachbarte Breitschlitzdüse austritt, nicht behindert.

Von ganz besonderem Interesse sind schließlich noch die Maß­ nahmen nach den Ansprüchen 7 und/oder 8, für die auch unab­ hängig von den vorgenannten Maßnahmen Schutz begehrt wird.

Durch den Wärmetransfer- und Strahlungskörper gemäß An­ spruch 7 wird bei Verbrennung von flüssigem Gas, welches beim Austritt in den Verbrennungsraum spontan verdampft und dem­ entsprechend Verdampfungswärme der Umgebung entzieht, eine Vereisung der Brennstoff-Eintrittsöffnung bzw. Brennstoffdü­ sen und auch der die Brennstoff-Eintrittsöffnung umgebenden Wandungen vermieden. Die zur Vermeidung der genannten Verei­ sung erforderliche Wärme wird dem Verbrennungsraum bzw. der rezirkulierenden Flamme entzogen. Der genannte Wärmetransfer- und Strahlungskörper besteht vorzugsweise aus einem gut wärme­ leitenden Material, wie nichtrostendem Edelstahl oder dgl. Aus strömungstechnischen Gründen ist der Wärmetransfer- und Strahlungskörper vorzugsweise als zylindrischer Fortsatz aus­ gebildet, wobei das freie, dem Verbrennungsraum zugewandte Ende abgeflacht oder auch konvex oder konkav gewölbt ausgebil­ det sein kann.

Nachstehend werden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung (Brennerteil) zum Verbrennen von vorzugsweise Flüssiggas im schemati­ schen Längsschnitt;

Fig. 2 den der Brennstoff-Eintrittsöffnung bei der Vorrich­ tung nach Fig. 1 zugeordneten Wärmetransfer- und Strahlungskörper teilweise im Längsschnitt und teil­ weise in Seitenansicht, und in vergrößertem Maßstab;

Fig. 3 den Wärmetransfer- und Strahlungskörper nach Fig. 2 in Rückansicht; und

Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform einer Vorrichtung, bei der der Brennstoff-Eintrittsöffnung ebenfalls ein Wärmetransfer- und Strahlungskörper entsprechend den Fig. 2 und 3 zugeordnet ist, im schematischen Längsschnitt.

Der in Fig. 1 im schematischen Längsschnitt dargestellte Gas­ brenner weist einen Düsenkörper 10 mit einer zentral in den Verbrennungsraum 11 mündenden Brennstoff-Eintrittsöffnung 12 auf, die in der Stirnwand 13 des Verbrennungsraumes 11 versenkt angeordnet ist und die von vier Gaskanälen 14, 15, 16 und 17 konzentrisch umgeben ist. Der den Düsenkörper 10 unmittelbar umgebende Gaskanal 14 mündet in den Verbrennungs­ raum 11 durch eine sich in Richtung zum Verbrennungsraum 11 konisch erweiternde Ringöffnung 18, in die auch die Brenn­ stoff-Eintrittsöffnung 12 mündet in einer noch weiter unten näher beschriebenen Weise. Durch den Kanal 14 strömt "Primär­ luft", die mit Verbrennungsgasen höherer Temperatur angerei­ chert sein kann, wobei die aus der Öffnung 18 auftretende Luft eine Strömungsgeschwindigkeit von etwa 100 bis 240 m/s, vorzugsweise etwa 150 m/s, besitzt. Dem Gaskanal 14 können noch Drallelemente in Form von Leitschaufeln zugeordnet sein, durch die eingeblasene "Primärluft" um etwa 60 bis 80° umgelenkt und damit in Rotation um die Längsachse 20 des Dü­ senkörpers 10 bzw. Verbrennungsraumes 11 versetzt werden. Die "Primärluft" wird in den Gaskanal 14 mit einem Druck von etwa 90 bis 120 mbar eingeblasen. Die Drallelemente 19 sind entsprechend Fig. 1 vorzugsweise der Brennstoff-Eintrittsöff­ nung 12 vorgeordnet.

Der Gaskanal 14 wird von einem weiteren Gaskanal 15 konzen­ trisch umgeben, dessen ringförmige, in den Verbrennungsraum 11 mündende Eintrittsöffnung 21 durch kegelstumpfförmige Sei­ tenwandungen 22 und 23 begrenzt ist. Die Seitenwandungen 22, 23 sind so gerichtet, daß sie der aus der Ringöffnung 21 aus­ tretenden Gasströmung ein kegelartiges Strömungsprofil auf­ prägen, das die entgegengerichtete Strömung des Brennstoffs sowie der aus der Ringöffnung 18 austretenden "Primärluft" durchdringt. Dadurch und durch die Zurückversetzung der Brennstoff-Eintrittsöffnung wird ein hoher Durchmischungsgrad von Brennstoff und Luft sowie eine zusätzliche Feinverteilung des eingeleiteten Brennstoffs erreicht. Beides trägt zu einem erhöhten Verbrennungs-Wirkungsgrad bei.

Der Gaskanal 15 wird von einem weiteren Gaskanal 16, und die­ ser von einem Gaskanal 17 jeweils konzentrisch umgeben, des­ sen ringförmige, in den Verbrennungsraum 11 mündende Ein­ trittsöffnungen jeweils Drallelemente 24, 25 aufweisen. Insofern handelt es sich um bekannte Maßnahmen, so daß eine nähere Beschreibung sich an dieser Stelle erübrigt. Der Durch­ satz durch die Gaskanäle 14 bis 17 kann in an sich bekannter Weise geregelt werden.

Vorzugsweise sind auch dem Gaskanal 15 Drallelemente 26 zuge­ ordnet, die unmittelbar vor der Eintrittsöffnung 21 liegen.

Von besonderem Interesse ist die Ausbildung der Brennstoff­ Eintrittsöffnung 12 die entsprechend den Fig. 2 und 3 durch acht gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete, jeweils radial, und zwar in Richtung zum Verbrennungsraum 11 hin ge­ richtete, sich jeweils in Umfangsrichtung erstreckende Breit­ schlitzdüsen 26 gebildet ist. Wie Fig. 2 entnommen werden kann, nimmt die Höhe 27 der Breitschlitzdüsen 26 über deren Länge in Richtung radial nach außen stetig ab, und zwar vor­ zugsweise um etwa 80%. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Höhe der Breitschlitzdüse 26 radial innen etwa 1,5 mm und radial außen etwa 0,3 mm. Bei einer anderen, be­ reits erprobten Ausführungsform liegen die Verhältnisse wie folgt:
Höhe radial innen: 1,0 mm,
Höhe radial außen: 0,2 mm.

Die Breite der Breitschlitzdüsen ist entsprechend Fig. 3 konstant. Die Breitschlitzdüsen 26 sind bei der dargestellten Ausführungsform zwischen der im Verbrennungsraum 11 abge­ wandten kegelstumpfförmigen Stirnseite eines am freien Ende des Düsenkörpers 11 aufschraubbaren (Gewinde 29) Wärmetrans­ fer- und Strahlungskörpers 28 und einer komplementären kegel­ stumpfförmigen Ringfläche am freien Ende des Düsenkörpers 10 ausgebildet. Zu diesem Zweck sind an der kegelstumpfförmigen Stirnseite des Wärmetransfer- und Strahlungskörpers 28 Radialnuten mit konstanter Breite sowie in Richtung radial nach außen abnehmender Tiefe eingefräst. Der Winkel alpha, den die Breitschlitzdüsen mit der Längsachse 20 des Düsen­ körpers 10 einschließt, beträgt etwa 30° bis 60°, vorzugswei­ se etwa 45°. Unter einem entsprechenden Winkel wird der Brennstoff in den Verbrennungsraum bzw. in die Ringöffnung 18 des Gaskanals 14 eingeleitet (s. Pfeil 30 in Fig. 1).

Der bereits erwähnte Wärmetransfer- und Strahlungskörper 28, der in Form eines zylindrischen Fortsatzes aus gut wärmelei­ tendem Material, wie z. B. Edelstahl oder dgl., ausgebildet ist, schließt unmittelbar am freien, dem Verbrennungsraum 11 zugewandten Ende des Düsenkörpers 10 an und erstreckt sich in Richtung zum Verbrennungsraum 11 hin bzw. bei der Ausführungs­ form nach Fig. 1 in diesen hinein. Dieser Wärmetransfer- und Strahlungskörper 28 dient zur Aufnahme von Verbrennungswärme, die in den Bereich der beschriebenen Brennstoff-Eintritts­ öffnung 12 übertragen wird unter entsprechender Vermeidung einer Vereisung derselben. Des weiteren wird die aufgenommene Wärme an die die Ringöffnung 18 außenseitig begrenzende Wan­ dung abgestrahlt, so daß auch dort eine Vereisung vermieden wird.

Durch die vom Wärmetransfer- und Strahlungskörper 28 aufge­ nommene Wärme wird also auch die Verdampfung von Flüssiggas beim Austritt desselben aus den Breitschlitzdüsen 26 begün­ stigt, wodurch die Verbrennung zur stirnseitigen Begrenzungs­ wand 13 des Verbrennungsraums 11 hin verlagert wird, so daß insgesamt der Verbrennungsraum 11 kürzer gebaut werden kann ohne Beeinträchtigung des Wirkungsgrades.

Die zentral rezirkulierende Flamme ist in Fig. 1 mit der Be­ zugsziffer 31 angedeutet. Die die Flamme radial begrenzende "Sekundärluft", die mit Drall aus den Gaskanälen 14 ff aus­ tritt, ist in Fig. 1 mit der Bezugsziffer 32 angedeutet. Weitere Erläuterungen dazu erübrigen sich hier. Es genügt, diesbezüglich auf die entsprechenden Ausführungen z. B. in der DE-C-35 20 781 zu verweisen.

Selbstverständlich umfaßt der Düsenkörper 10 eine zentrale Zuführleitung zur Brennstoff-Eintrittsöffnung 12 bzw. den Breitschlitzdüsen 26 hin. Diese ist in Fig. 1 nicht näher dargestellt.

In Fig. 4 ist eine abgewandelte Ausführungsform eines Gasbren­ ners dargestellt, wobei der Düsenkörper 10 samt Wärmetransfer- und Strahlungskörper 28 wie vorbeschrieben ausgebildet ist. Die die Brennstoff-Eintrittsöffnung 12 definierenden Breit­ schlitzdüsen sind jedoch radial nach außen bzw. sich senkrecht zur Düsenkörper-Längsachse 20 erstreckend ausgebildet. In entsprechender Weise wird der Brennstoff eingeleitet (s. Pfeil 30). Der Düsenkörper 10 einschließlich Wärmetransfer- und Strahlungskörper 28 sind innerhalb eines Primärluft-Kanals 32 angeordnet, und zwar relativ zur Stirnwand 13 des Verbren­ nungsraums 11 versenkt.

Der Brennstoff-Eintrittsöffnung 12 ist ein sich quer zur Längs­ achse 20 erstreckendes Schild 30 unmittelbar vorgelagert, und zwar unter enger Umschließung des Düsenkörpers 10 sowie un­ ter Freilassung eines äußeren Ringspaltes 34 in Relation zur Umfangswand des Kanals 32. Rückseitig wird das Schild 33 von Primärluft 35 angeblasen. Dieses entweicht in den Verbren­ nungsraum 11 durch den Ringspalt 34 unter Ausbildung eines starken Unterdrucks unmittelbar hinter dem Schild 33 mit der Folge, daß der austretende Brennstoff (Pfeil 30) regelrecht radial nach außen gezogen wird, wie durch die Strömungslinien 36 in Fig. 4 angedeutet ist. Das Brennstoff-Profil wird also auch bei dieser Ausführungsform sehr stark aufgefächert, so daß eine entsprechend wirkungsvolle Verbrennung bei kurzer Flamme stattfinden kann. Im übrigen ist die Peripherie, ins­ besondere das oben beschriebene Gasregister mit den Kanälen 15 ff ebenso ausgebildet wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1.

Das Schild 33 ist selbstverständlich auch von Vorteil bei Verbrennung von Öl. In diesem Fall erübrigt sich lediglich der Wärmetransfer- und Strahlungskörper 28, da bei Einleitung von Öl praktisch keine Verdampfungswärme der Umgebung entzo­ gen werden muß. Die Gefahr einer Vereisung besteht nicht.

Das beschriebene Schild 33 und dessen Zuordnung zur Primär­ luft-Strömung 35 ist auch für andere Düsenkörper bzw. Düsen geeignet z. B. Düsen mit zentralem Sprühkegel. Das Schild 33 läßt sich in einfacher Weise auch nachträglich in herkömm­ liche Brenner installieren.

Vorzugsweise ist bei den beschriebenen Ausführungsformen der Düsenkörper 10 jeweils axial verschieblich gelagert so daß die Lage der Brennstoff-Eintrittsöffnung 12 relativ zum Ver­ brennungsraum 11 bzw. dessen stirnseitiger Begrenzungswand 13 optimal eingestellt werden kann.

Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie ein­ zeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Verbrennen flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe, die unter Druck durch eine zentrale Ein­ trittsöffnung (12) hindurch in einen Verbrennungsraum (11) einleitbar sind, wobei die Brennstoff-Eintrittsöffnung (12) von mindestens einer Lufteintrittsöffnung (14 bzw. 32) konzentrisch umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff-Eintrittsöffnung (12) durch mehrere gleich­ mäßig über den Umfang verteilt angeordnete, sich jeweils in Umfangsrichtung erstreckende sowie jeweils radial, insbesondere in Richtung zum Verbrennungsraum (11) hin gerichtete Breitschlitzdüsen (26) gebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (27) und/oder Breite der Breitschlitzdüsen (26) über deren Länge in Richtung radial nach außen stetig abnimmt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (27) der Breitschlitzdüsen (26) in Richtung radial nach außen jeweils um etwa 70% bis 90%, insbesondere etwa 80%, abnimmt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff- Eintrittsöffnung (12) mindestens sechs, insbesondere acht Breitschlitzdüsen (26) umfaßt, wobei die Breite der Breit­ schlitzdüsen (26) so bemessen ist, daß sie in Umfangsrich­ tung jeweils voneinander beabstandet sind.

5. Vorrichtung, insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff- Eintrittsöffnung (12) ein sich etwa quer zur Längsachse (20) des zugeordneten Düsenkörpers (10) erstreckendes, den Düsenkörper (10) vorzugsweise eng umschließendes Schild (33) unmittelbar vorgelagert ist, wobei der äuße­ re Umfangsrand desselben in einer axialen, zum Verbren­ nungsraum (11) hin gerichteten (Primär)-Luft- oder dgl. -Strömung (35) liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff- Eintrittsöffnung (12) samt vorgelagertem Schild (33) innerhalb eines Primärluft-Kanals (32) angeordnet ist.

7. Vorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Brenn­ stoff-Eintrittsöffnung (12) ein sich in Richtung zum Ver­ brennungsraum (11) hin erstreckender Wärmetransfer- und Strahlungskörper (28), insbesondere in Form eines zylin­ drischen Fortsatzes aus gut wärmeleitendem Material, wie Edelstahl oder dgl., anschließt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetransfer- und Strahlungskörper (28) in den Verbrennungsraum (11) hineinragt.