DE3938786A1 - Brenner zur verbrennung von fluessigen oder gasfoermigen brennstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner zur Ver­ brennung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen, bestehend aus einer Zerstäuberdüse, der über eine Brenn­ stoffleitung der Brennstoff zuführbar ist, einer Luftzu­ führungsleitung für die von einem Ventilator oder dgl. geförderten Verbrennungsluft, einer durch ein in einen Kesselraum ragendes Brennerrohr gebildeten Brennkammer sowie einer mit einer zentrischen Öffnung versehenen Blende.

Unter der Bezeichnung "DFVLR-Verbrennungssystem Blaubrenner" ist ein Brenner dieser Art bekannt. Um zur Verbesserung der Verbrennung in die Brennkammer kaltes Abgas einbringen zu können, sind bei dieser Ausgestaltung in das Brenner­ rohr eine Vielzahl von Bohrungen eingearbeitet und des weiteren ist in dieses ein Mischrohr eingesetzt, mittels dem das Abgas in Strömungsrichtung hinter der Zerstäuber­ düse in die Verbrennungsluft eingebracht wird. Durch die Intensivierung der Abgasrezirkulation in der Brennkammer läßt sich zwar in der Betriebsphase die Stickstoffmonoxyd- Emission absenken, der Bauaufwand ist hierbei jedoch erheblich. Abgesehen davon, daß das Einarbeiten der Boh­ rungen in das Brennerrohr lohnintensiv ist, ist ein geson­ dertes Mischrohr erforderlich, das auch in einer besonderen Weise in dem Brennerrohr abzustützen ist, damit die Rezir­ kulation des Abgases, das unmittelbar vor der Blende aus einem Ringraum zwischen dem Brennerrohr und dem Misch­ rohr in dieses einzuleiten ist, nicht zu sehr beeinträch­ tigt wird. Ferner hat sich auch als nachteilig gezeigt, daß die Menge des Zufalls bedingt zuströmenden Abgases nicht regelbar und damit nicht einstellbar ist und daß in der Startphase, in der das Mischrohr und dessen Halterung noch nicht auf die Betriebstemperatur erwärmt sind, eine blaubrennende Flamme nicht gegeben und somit die Schad­ stoffemission hoch ist. Und da das Abgas in der Brennkammer das Mischrohr und dessen Halterung umspült, weist dieser Brenner somit nicht nur einen schlechten Wirkungsgrad, son­ dern auch einen hohen Geräuschpegel auf.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Brenner der vorgenannten Gattung in der Weise auszubilden, daß eine optimale Verbrennung des Luft-Brennstoffgemisches, das mit geringem Energieaufwand durch die gesteuerte Einbringung einer großen Menge von Abgas in die zugeführte Verbrennungs­ luft gebildet werden soll, vor allem auch bereits in der Startphase, in der Brennkammer ermöglicht wird und daß somit der Anteil der Stickoxide in den Abgasen während der gesamten Betriebsdauer des Brennners in einem erheb­ lichen Maße reduziert werden kann. Des weiteren soll der Brenner, der auch leicht auf die jeweiligen Gegebenheiten einzustellen und zu regeln sein soll, äußerst geräuscharm arbeiten und die Flamme soll stets stabil sein und auf einem niederen Temperaturniveau blau ausbrennen. Der dazu erforderliche Bauaufwand soll gering gehalten werden, auch sollen Brenner nachrüstbar sein, um die Verbrennung in bestehenden Anlagen zu verbessern und damit eine Stick­ oxidreduktion zu gewährleisten.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Zerstäuberdüse die Blende durchgreift und in Strömungs­ richtung der Verbrennungsluft hinter der Blende angeordnet ist, daß die Zerstäuberdüse ganz oder teilweise von einem Mischglied umgeben ist, das mit der Zerstäuberdüse und/oder deren Ummantelung und/oder deren Halterung eine Mischkammer mit ringförmigem Querschnitt bildet, und daß zur Einbringung von Abgas in die Brennkammer der Kesselraum über einen oder mehrere Kanäle mit der Mischkammer verbunden ist.

Zweckmäßig ist es hierbei, das Mischglied konzentrisch zur Zerstäuberdüse und/oder deren Ummantelung und/oder deren Halterung anzuordnen und durch eine in das Brennerrohr eingesetzte oder an diesem angebrachte Hülse zu bilden, wobei das Mischglied auf der dem Brennraum zugekehrten Seite mit einem Diffusor versehen sein kann und in Achs­ richtung der Zerstäuberdüse gegenüber dieser und/oder der Blende verstellbar angeordnet sein sollte.

Ferner ist es angebracht, die Mischkammer im Bereich der Zerstäuberdüse mit einer konischen Erweiterung zu versehen.

Die Blende und/oder die Mischkammer können auf einfache Weise auch durch in dem Brennerrohr angeordnete Einbauten gebildet werden.

Außerdem ist es vorteilhaft, die Zerstäuberdüse im Bereich der Blende mit einer zylindrischen, vorzugsweise abgestuften und/oder kegelförmig ausgebildeten Ummantelung zu versehen, die zur Veränderung des freien Strömungsquerschnittes der Blendenöffnung in Achsrichtung der Blende verstellbar angeordnet ist. Der Druck und/oder die Menge der zugeführten Verbrennungsluft können aber auch mittels einer Drossel­ klappe oder dgl. geregelt werden.

Nach einer besonders einfachen Ausgestaltung können das Brennerrohr und/oder das Mischglied mit axialem Abstand zu der Blende angeordnet werden, so daß der Kanal zur Zuführung von Abgas in die Mischkammer durch den Abstand zwischen diesen Bauteilen gebildet ist, wobei zur Veränderung des Durchflußquerschnittes und damit der zuführbaren Abgasmenge das Brennerrohr und/oder das Mischglied gegenüber der Blende axial verstellbar sein sollten.

Nach einer andersartigen Ausführungsform können aber auch zur Verbindung des Kesselraumes mit der Mischkammer das Brennerrohr in Strömungsrichtung hinter der Blende mit mit den Kanälen zur Zuführung von Abgas kommunizieren­ den Ausnehmungen, beispielsweise in Form von Löchern und/oder Schlitzen versehen sein.

Eine optimale Verbrennung ist insbesondere dann zu erzielen, wenn die durchströmbare Querschnittsfläche der Mischkammer etwa um das 1,4-3fache größer bemessen ist als die freie Querschnittsfläche der Blende, die von den Abgasen durchströmbaren den Kesselraum mit der Mischkammer verbindenden Kanäle und Ausnehmungen des Brennerrohres eine Querschnittsfläche aufweisen, die etwa dem 0,8-2fachen der freien Querschnittsfläche der Blende entspricht und die Mischstrecke der Misch­ kammer eine axiale Länge aufweist, die etwa dem 0,5- 10fachen des hydraulischen Durchmessers der Misch­ kammer entspricht.

Außerdem sollte die Zerstäuberdüse in einem axialen Abstand von dem Ende des Brennerrohres angeordnet sein, der mindestens dem 1,6fachen des Durchmessers des Brennerrohres entspricht.

Wird ein Brenner gemäß der Erfindung ausgebildet, so kann eine große Menge Abgas gesteuert der Verbrennungsluft, bevor diese in die Brennkammer einströmt, definiert bei­ gemischt werden, so daß eine blaubrennende rußfreie Flamme mit äußerst geringem Anteil an Stickoxiden in den Abgasen zu erzielen ist; und aufgrund der Injektor­ wirkung, die durch die mit hoher Geschwindigkeit durch die Mischkammer strömende Verbrennungsluft hervorgerufen wird, wird das Abgas in diese eingesogen und mit der durch die Blende beschleunigten Verbrennungsluft intensiv ver­ mischt, eine nahezu stöchiometrische Verbrennung des aus der Zerstäuberdüse ausgestoßenen Brennstoffes auf einem niederen Temperaturniveau, da die Brennerflamme durch das Abgas gekühlt wird, ist somit gewährleistet.

Ferner ist von Vorteil, daß in der Brennkammer die Flammenbildung durch Einbauten nicht beeinträchtigt wird. Irgendwelche Bauteile sind demnach, um eine optimale Verbrennung zu erzielen, nicht aufzuheizen, vielmehr ist bereits in der Startphase eine stabile blaubrennende Flamme und damit eine schadstoffarme Verbrennung gegeben. Und da somit auch keine Einbauten und Halterungen umspült werden, arbeitet der erfindungsgemäß ausgebildete Brenner äußerst geräuscharm.

Der Bauaufwand, mittels dem eine derartige optimale Ver­ brennung ermöglicht wird, ist äußerst gering, da lediglich mit Hilfe des Mischgliedes und einer entsprechenden Anordnung der Zerstäuberdüse eine Mischkammer zu bilden ist, die dem Brennraum vorzuschalten ist. Die Länge der Mischstrecke der Mischkammer, die Mengen der dieser zuzuführenden Verbren­ nungsluft sowie des Abgases wie auch die Strömungsgeschwin­ digkeiten sind hierbei leicht an unterschiedliche Gegeben­ heiten anpaßbar, so daß der vorschlagsgemäß ausgebildete Brenner nicht nur einen hohen Wirkungsgrad aufweist, sondern auch ohne Schwierigkeiten geregelt werden kann und stets eine optimale Auslegung zu bewerkstelligen ist.

Durch diese Konstruktion wird demnach nicht nur bezüglich der Verbrennungsqualität eine weitgehende Kessel-Brenn­ kammerunabhängigkeit erreicht, sondern es werden auch auf jedem bekannten Kessel äußerst günstige Stickoxid­ werte erzielt. Des weiteren können bestehende Anlagen ohne Schwierigkeiten problemlos nachgerüstet werden, so daß kurzzeitig die durch Heizungen gegebenen Abgas­ belastungen gemindert werden können.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des gemäß der Erfindung ausgebildeten Brenners zur Verbren­ nung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen dar­ gestellt, die nachfolgend im einzelnen erläutert sind. Hierbei zeigt, jeweils in einem Längsschnitt:

Fig. 1 den Brenner mit einer durch ein Mischglied gebildeter Mischkammer, teilweise in sche­ matischer Darstellung, und

Fig. 2 eine andersartige Ausführungsform des Brenners nach Fig. 1.

Der in Fig. 1 dargestellte und mit 1 bezeichnete Brenner dient zur Verbrennung von flüssigen oder gas­ förmigen Medien und besteht im wesentlichen aus einem Brennerrohr 11 und einer Zerstäuberdüse 12, der über eine mit einem Filter 17 versehenen Brennstoffleitung 15 mittels einer in dieser eingesetzten Pumpe 16 aus einem Vorratsbehälter 14 der Brennstoff zugeführt wird. Die Zerstäuberdüse 12, der eine Zündelektrode 18 zuge­ ordnet ist, ist mittels Halterungen 24 in einer Luft­ zuführungsleitung 13 abgestützt, an der das Brennerrohr 11 mittels einer Halterung 23 befestigt ist. Die Luftzu­ führungsleitung 13, in der die von einem Ventilator 19 geförderte Verbrennungsluft zugeführt wird, ist hierbei in einer Wand 3 eines Heizkessels 2 eingesetzt, so daß das Brennerrohr 11, das eine Brennkammer 20 umgibt, in dessen Kesselraum 4 hineinragt.

Am Ende der Luftzuführungsleitung 13 ist eine Blende 21 angeordnet, die eine zentrische Öffnung 22 aufweist. Die Zerstäuberdüse 12 durchgreift bei dem Brenner 1 die Öffnung 22 der Blende 21 und ist somit in der durch den Pfeil P gekennzeichneten Strömungsrichtung der Ver­ brennungsluft hinter der Blende 21 angeordnet.

Um in der Brennkammer 20 eine nahezu stöchiometrische Verbrennung auf einem niederen Temperaturniveau zu er­ zielen, wird bei dem Brenner 1 der von dem Ventilator 19 geförderten Verbrennungsluft Abgas aus dem Kesselraum 4 des Heizkessels 2 zugeführt und mit dieser innig und definiert vermischt. Dazu dient eine Mischkammer 32, die durch ein konzentrisch zu der Zerstäuberdüse 12 angeordnetes Mischglied 31 in Form einer Hülse 34 und einer zylindrischen Ummantelung 25 der Zerstäuberdüse 12 gebildet ist und somit einen kreisringförmigen Quer­ schnitt aufweist. Über einen Ringkanal 33 ist die Misch­ kammer 32 mit dem Kesselraum 4 ständig verbunden.

Die Hülse 34 ist in axialer Richtung verstellbar in einem Ansatz 35 des Brennerrohres 11 eingesetzt, außerdem ist dieses ebenfalls axial mittels der Halterung 23 gegen­ über der Blende 21 verstellbar, so daß die Abstände a und b zwischen dieser und dem Brennerrohr 11 bzw. dem Mischglied 31 leicht verändert werden können. Des weiteren kann der durchströmbare Querschnitt der Blendenöffnung 22 mit Hilfe einer weiteren kegelförmig ausgebildeten Ummantelung 26 der Zerstäuberdüse 12 stufenlos verändert werden, und die Menge und/oder der Druck der zugeführten Verbrennungsluft ist mittels einer dem Ventilator 19 zugeordneten Drosselklappe 27 einstellbar. Auf diese Weise können alle Parameter einschließlich der Länge der Mischkammer 32 verändert und an die jeweiligen Ge­ gebenheiten angepaßt werden, so daß über die Menge der Verbrennungsluft und/oder des dieser zugeführten Abgases sowie der Länge der Mischkammer 32 eine gezielte Ein­ mischung des Abgases in die Verbrennungsluft zu bewerk­ stelligen und somit eine optimale Regelung des Brenners 1 und eine Verbrennung auf niederem Temperaturniveau bei hohem Wirkungsgrad zu erzielen sind.

Auch der Brenner 51 nach Fig. 2 besteht aus einem Brenner­ rohr 61, einer mit einer Zündelektrode 68 versehenen Zerstäuberdüse 62, einer durch eine Verlängerung des Brennerrohres 61 gebildeten Luftzuführungsleitung 63 sowie einer zwischen dieser und dem Brennerrohr 61 ange­ ordneten Blende 71, deren Öffnung 72 von der Zerstäuber­ düse 62 durchgriffen ist, so daß diese wiederum in der durch den Pfeil P gekennzeichneten Strömungsrichtung hinter der Blende 71 angeordnet ist. Die Luftzuführungs­ leitung 63 ist in einer Wand 53 eines Heizkessels 52 eingesetzt, das Brennerrohr 61, das eine Brennkammer 70 umgibt, ragt somit in den Kesselraum 54 des Heiz­ kessels 52 hinein.

Um der Verbrennungsluft vor Eintritt in die Brennkammer 70, wie dies durch die mit R bezeichneten Pfeile darge­ stellt ist, Abgas aus dem Kesselraum 54 zuführen und intensiv und definiert mit dieser durchmischen zu können, ist in das Brennerrohr 61 ein Mischglied 81 eingesetzt, das zusammen mit einer Ummantelung 66 der Zerstäuberdüse 62 und deren Brennstoffzuführungsleitung 65 eine Misch­ kammer 82 mit kreisringförmigem Querschnitt bildet. Über einen Ringkanal 83, der zwischen der Blende 71 und dem als Hülse 84 ausgebildeten Mischglied 81 vor­ gesehen und über in das Brennerrohr 61 eingearbeitete Ausnehmungen 64 an den Kesselraum 54 angeschlossen ist, wird das Abgas durch die mit hoher Geschwindig­ keit aus der Blende 71 ausströmende Verbrennungsluft angesaugt und somit mit geringem Energieaufwand in die Mischkammer eingebracht und dort mit der mit hoher Ge­ schwindigkeit strömenden Verbrennungsluft vermischt.

Aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit in der Misch­ kammer 82 wird das Abgas innig mit der Verbrennungsluft vermischt, wobei der Mischungsgrad durch die Länge der Mischkammer 82 gezielt beeinflußbar ist, so daß in der Brennkammer 70 eine optimale Verbrennung auf einem nie­ deren Temperaturniveau zu erzielen ist. Mit Hilfe eines am Ende des Mischgliedes 81 angebrachten Diffusers 85 und/oder einer im Bereich der Zerstäuberdüse 62 vorge­ sehenen konischen Erweiterung 86 der Mischkammer 82 kann die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffgemisches, um die Flammenbildung nicht zu beeinträchtigen, abgesenkt werden.

Um eine optimale Zuführung der Verbrennungsluft und des Abgases in die Mischkammer 82 zu gewährleisten, sollte deren durchströmbare mit C bezeichnete Querschnitts­ fläche etwa um das 1,4-3fache größer bemessen sein als die freie Querschnittsfläche A der Blende 71, außer­ dem sollten der Ringkanal 83 bzw. die Ausnehmungen 64 eine Querschnittsfläche B aufweisen, die etwa dem 0,8- 2fachen der Querschnittsfläche A der Blende 21 ent­ spricht. Und um eine intensive Vermischung des Abgases mit der Verbrennungsluft in der Mischkammer 82 zu er­ reichen, sollte sich deren Mischstrecke 1 über eine axiale Länge erstrecken, die etwa dem 0,5-10fachen des hydraulischen Durchmessers der Mischkammer 82 ent­ spricht. Des weiteren sollte die Zerstäuberdüse 62 in einem axialen Abstand L vor dem Ende des Brennerrohres 61 angeordnet sein, der mindestens um das 1,6fache größer ist als der Durchmesser D des Brennerrohres 61. Diese Werte sind einzeln einstellbar und auf die jeweiligen Verhältnisse anpaßbar, so daß der Brenner 51 optimal gesteuert und eingestellt werden kann.

Claims (16)

1. Brenner zur Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen, bestehend aus einer Zerstäuberdüse, der über eine Brennstoffleitung der Brennstoff zuführbar ist, einer Luftzuführungsleitung für die von einem Ventilator oder dgl. geförderten Verbrennungsluft, einer durch ein in einen Kesselraum ragendes Brennerrohr gebildeten Brennkammer sowie einer mit einer zentrischen Öffnung versehenen Blende, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäuberdüse (12; 62) die Blende (21; 71) durchgreift und in Strömungsrichtung (P) der Verbren­ nungsluft hinter der Blende (21; 71) angeordnet ist, daß die Zerstäuberdüse (12; 62) ganz oder teilweise von einem Mischglied (31; 81) umgeben ist, das mit der Zerstäuberdüse (12; 62) und/oder deren Ummantelung (25; 75) und/oder deren Halterung eine Mischkammer (32; 82) mit ringförmigem Querschnitt bildet, und daß zur Einbringung von Abgas in die Brennkammer (20; 70) der Kesselraum (4; 54) über einen oder mehrere Kanäle (33; 83) mit der Mischkammer (32; 82) verbunden ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischglied (31; 81) konzentrisch zur Zerstäuber­ düse (12; 62) und/oder deren Ummantelung (25; 75) und/oder Halterung angeordnet ist.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischglied (31; 81) durch eine in das Brenner­ rohr (11; 61) eingesetzte oder an diesem angebrachte Hülse (34; 84) gebildet ist.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischglied (81) auf der dem Brennraum (70) zugekehrten Seite mit einem Diffusor (85) versehen ist.

5. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischglied (31) in Achsrichtung der Zerstäuber­ düse (12) gegenüber dieser und/oder der Blende (21) verstellbar angeordnet ist.

6. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (82) im Bereich der Zerstäuberdüse (62) mit einer konischen Erweiterung (86) versehen ist.

7. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (71) und/oder die Mischkammer (82) durch in dem Brennerrohr (61) angeordnete Einbauten gebildet sind.

8. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäuberdüse (12) im Bereich der Blende (21) mit einer zylindrischen, vorzugsweise abgestuften und/oder kegelförmig ausgebildeten Ummantelung (25, 26; 66) versehen ist, die zur Veränderung des freien Strö­ mungsquerschnittes (A) der Blendenöffnung (22) in Achs­ richtung der Blende (21) verstellbar angeordnet ist.

9. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der zugeführten Verbrennungsluft mittels einer Drosselklappe (27) oder dgl. regelbar ist.

10. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennerrohr (11) und/oder das Mischglied (31) mit axialem Abstand (a, b) zu der Blende (21) ange­ ordnet sind und daß der Kanal (33) zur Zuführung von Abgasen in die Mischkammer (32) durch den Abstand (a, b) zwischen diesen gebildet ist.

11. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennerrohr (11) und/oder das Mischglied (31) gegenüber der Blende (21) axial verstellbar angeordnet sind.

12. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung des Kesselraumes (54) mit der Mischkammer (82) das Brennerrohr (61) in Strömungs­ richtung (P) hinter der Blende (71) mit mit dem Kanal (83) zur Zuführung von Abgasen kommunizierenden Aus­ nehmungen, beispielsweise in Form von Löchern und/oder Schlitzen, versehen ist.

13. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die durchströmbare Querschnittsfläche (C) der Mischkammer (32; 82) etwa um das 1,4-3fache größer bemessen ist als die freie Querschnittsfläche (A) der Blende (21; 71).

14. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Abgasen durchströmbaren den Kesselraum (4; 54) mit der Mischkammer (32; 82) verbindenden Kanäle (33; 83) oder Ausnehmungen (64) des Brenner­ rohres (61) eine Querschnittsfläche (B) aufweisen, die etwa dem 0,8-2fachen der freien Querschnitts­ fläche (A) der Blende (21; 71) entspricht.

15. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischstrecke der Mischkammer (31; 81) eine axiale Länge (1) aufweist, die etwa dem 0,5-10fachen des hydraulischen Durchmessers der Mischkammer (31; 81) entspricht.

16. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäuberdüse (12; 62) in einem axialen Abstand (L) von dem Ende des Brennerrohres (11; 61) angeordnet ist, der mindestens dem 1,6fachen des Durchmessers (D) des Brennerrohres (11; 61) entspricht.