DE4008692C2 - Mischeinrichtung für Ölgebläsebrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mischeinrichtung für Ölgebläse­ brenner gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Mischeinrichtung ist im wesentlichen aus der DE-OS 20 59 692 bekannt. Die hier nicht erwähnten radialen Schrägschlitze der Stauscheibe sowie die axiale Verschiebbarkeit des Düsenstocks mit der Stauscheibe innerhalb des Mischrohres zur Veränderung des Abstands zwischen dem Stauscheibenring und dem verjüngten vorderen Ende des Mischrohres sind für den Fach­ mann in naheliegender Weise vorzusehen. Die Höhe des Ringes der Stauscheibe ist kleiner als der Durchmesser der zentralen Öff­ nung.

Die verschiebbare Anordnung des Düsenstocks mit der Stau­ scheibe ist deshalb erforderlich, weil die Brenner in der Regel für einen Leistungsbereich ausgelegt werden und erst bei der In­ stallation die Einstellung auf die bereitzustellende Wärmelei­ stung und jeweilige Kesselausbildung erfolgt, d. h. es wird die für die geforderte Wärmeleistung benötigte Brennstoffdüse einge­ baut und durch Verschieben des Düsenstocks die entsprechende Luftmenge eingestellt, die den Zwischenraum zwischen dem Stau­ scheibenring und dem Mischrohr durchströmen muß. Bei der bekann­ ten Mischeinrichtung lassen sich durch ein Vorsatzrohr vor dem Mischrohr Verbrennungsabgase von außen in die Flammenwurzel zu­ rückführen, wobei aber die geometrischen Abmessungen des Vor­ satzrohres von den erfindungsgemäßen Abmessungen abweichen.

Diese Mischeinrichtung hat sich in der Praxis bewährt, je­ doch hat sich gezeigt, daß mit dieser Bauart der Stauscheibe und des Mischrohres die neueren strengen Forderungen hinsicht­ lich der Schadstoffbegrenzung in den Abgasen nur mit geringem Sicherheitsabstand erfüllbar sind.

Eine Mischeinrichtung mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 geht auch aus der nicht vorveröffentlich­ ten älteren Patentanmeldung gemäß der DE 38 15 311 A1 hervor. Bei dieser Einrichtung entspricht die Höhe des Stauscheibenrin­ ges etwa dem Innenlochdurchmesser und der Auslaßdurchmesser des Mischrohres etwa dem Stauscheibendurchmesser.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mischeinrich­ tung der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß die Schadstoffe im Abgas, insbesondere der NO_X-Gehalt, wesentlich vermindert werden und der feuerungstechnische Wirkungsgrad ver­ bessert wird.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die große Höhe des Stauscheibenringes führt im Zusammenwir­ ken mit dem verjüngten vorderen Ende des Mischrohres zu einem erhöhten Unterdruck hinter der Stauscheibe, wodurch in starkem Maße heiße Verbrennungsgase in turbulenter Strömung zur Flammen­ wurzel zurückgeführt werden. Damit wird die Flammenstabilität verbessert und eine Teilvergasung der aus der Brennstoffdüse austretenden Öltröpfchen erreicht.

Das radial einwärts gebogene Mischrohrende bewirkt, daß die Luftströmung zwischen Mischrohr und Stauscheibe eingeschnürt wird und mit erhöhter Energie radial in den Verbrennungsraum eintritt und damit im Winkel von etwa 90° auf die Flamme trifft. Hierdurch wird einerseits die Durchmischung von Öl und Luft ver­ bessert und andererseits diesem Bereich der Flamme so viel Luft zugeführt, daß der im Bereich der Flammenwurzel herrschende Luftmangel kompensiert wird und die Verbrennung insgesamt überstöchiometrisch verläuft. Auf diese Weise wird schon relativ früh ein vollständiger Ausbrand aller brennbaren Bestandteile erreicht, d. h. die Flamme wird kürzer, wodurch sich die Verweil­ zeit des Luftstickstoffes in der Flamme verringert.

Neben der oben beschriebenen, als innere bzw. primäre Rezir­ kulation zu bezeichnenden Rückführung heißer Verbrennungsgase zur Flammenwurzel bildet sich aufgrund des Unterdruckes, der sich infolge der Strömungsverhältnisse am einwärts gebogenen Mischrohrende einstellt, eine sekundäre Rezirkulation aus, die kühlere Verbrennungsgase zusammen mit unverbranntem Sauerstoff in den äußeren Bereich der Flamme zurückführt. Dadurch wird zum einen die Flamme gekühlt und damit die NO_X-Bildung verringert und zum anderen der Sauerstoff-Partialdruck gesenkt, womit weniger Sauerstoff für die NO_X-Bildung zur Verfügung steht.

Neben diesen Effekten führen die rezirkulierten Verbren­ nungsgase diesem Bereich der Flamme genügend Wärme zu, um die Vergasung von dort vorhandenen Öltröpfchen zu verbessern.

Versuche haben gezeigt, daß sich mit der Erfindung eine deutliche Reduzierung der NO_X-Emissionswerte erreichen läßt. Das Öl verbrennt in einer Gelbflamme mit Blauanteilen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen angegeben.

So werden bei der Ausgestaltung nach Patentanspruch 4 über den zwischen Vorsatzrohr und Mischrohrende gebildeten Ringspalt aufgrund des am Mischrohraustritt herr­ schenden Unterdruckes kühlere, ebenfalls noch Sauerstoff aufwei­ sende Verbrennungsgase in den Randbereich der Flamme zurückge­ führt, d. h. es bildet sich neben der bereits beschriebenen pri­ mären und sekundären Rezirkulation eine zusätzliche tertiäre Re­ zirkulation aus. Diese tertiäre Rezirkulation verstärkt die im Zusammenhang mit der sekundären Rezirkulation beschriebenen Ef­ fekte, d. h. der Sauerstoff-Partialdruck wird weiter gesenkt, die Flamme aufgrund der kühleren Verbrennungsgase weiter abgekühlt und dem Randbereich der Flamme für die Restvergasung der Öl­ tröpfchen zusätzlich Wärme zugeführt. Das Verhältnis zwischen Breite des Ringspaltes und Innendurchmesser des Vorsatzrohres gemäß Patentanspruch 5 optimiert diese Wirkungen. Im Ergebnis bildet sich eine absolute Blauflamme aus, bei der die Rauchgase rußfrei sind. Gegenüber der Ausführung ohne Vorsatzrohr wird der NO_X-Gehalt im Rauchgas weiter gesenkt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung des vorderen Bereichs einer Mischeinrichtung,

Fig. 2 eine Stirnansicht der Stauscheibe von Fig. 1 und

Fig. 3 die Mischeinrichtung nach Fig. 1 mit Vor­ satzrohr.

Fig. 1 zeigt ein Mischrohr 1, dessen vorderes Ende 2 sich konisch verjüngt, und in dem zentral als Brennerlanze ein Düsen­ stock 3 mit einer Brennstoffdüse 4 angeordnet ist. An der Bren­ nerlanze ist mit Streben 5 eine Stauscheibe 6 befestigt, die mit der Brennerlanze im Mischrohr 1 axial verschiebbar ist und die an ihrem Umfang mit dem Ring 7 versehen ist. Die Stauscheibe 6 besitzt als zentrale Öffnung ein Innenloch 8 als Durchlaß für den Brennstoff und einen ersten Teil der Verbrennungsluft, und ferner sind zwischen der zentralen Öffnung und dem Außenrand der Scheibe radiale Schlitze 9 vorgesehen, die durch flügelartige Vorsprünge 10 gebildet werden, die durch einen Drückvorgang in der Scheibe 6 angebracht werden. Dadurch wird ein zweiter Teil des Verbrennungsluftstroms in tangentialer Richtung in den Ver­ brennungsraum eingeleitet. Ein dritter Anteil der Verbrennungs­ luft strömt durch den Zwischenraum zwischen dem Ring 7 der Stau­ scheibe 6 und dem verjüngten vorderen Ende 2 des Mischrohres 1. Durch axiale Verschiebung der Brennerlanze mit der Stauscheibe 6 kann der dritte Verbrennungsluftanteil dosiert und an die je­ weils geforderte Leistung des Brenners am Installationsort ange­ paßt werden.

Die Höhe H des Ringes 7 ist mindestens so groß wie der Durchmesser des Innenloches 8 bemessen. Hierdurch wird der Un­ terdruck hinter der Stauscheibe 6 und damit die innere Rezirku­ lation erhöht, so daß die Flamme stabilisiert wird, d. h. daß die Flammenwurzel stärker an die Stauscheibe 6 gebunden wird und daß zugleich wegen der größeren Länge des Bereiches, in dem die Verbrennung unterstöchiometrisch erfolgt, eine Verminderung der Stickoxidbildung stattfindet. Gleichzeitig wird durch die Rezir­ kulation heißer Verbrennungsgase die Vergasung des Öls in diesem Bereich verbessert. In der Praxis hat sich gezeigt, daß ein Ver­ hältnis der Höhe H des Ringes 7 zum Durchmesser des Innenloches 8 der Stauscheibe 6 von etwa 1,1 : 1 sehr geringe NO_X-Werte zur Folge hat.

Das verjüngte vordere Ende 2 weist eine Lippe 11 auf, die radial so weit nach innen eingebogen ist, daß der Auslaßdurch­ messer des Mischrohres 1 mindestens 10 mm kleiner als der Durch­ messer der Stauscheibe 6 ist. Hierdurch wird der dritte Verbren­ nungsluftanteil fast radial in den Verbrennungsraum eingeblasen, so daß dieser Teil der Verbrennungsluft praktisch im Winkel von etwa 90° auf den Flammenkegel trifft.

Dadurch wird die Durchmischung von Luft und Brennstoff in­ tensiviert. Des weiteren kompensiert die Luftzuführung an dieser Stelle der Flamme den Luftmangel an der Flammenwurzel, so daß die Verbrennung insgesamt überstöchiometrisch verläuft und die Flamme und damit die Verweilzeit des Luftstickstoffes in der Flamme verkürzt wird.

Der sich aufgrund der Strömungsverhältnisse am Austritt des Mischrohres 1 einstellende Unterdruck führt außerdem zu einer Rezirkulation von Verbrennungsgasen im Außenbereich der Flamme, die durch die vergleichsweise kälteren Verbrennungsgase gekühlt wird. Da diese unverbrannten Sauerstoff enthalten, wird durch die Rezirkulation gleichzeitig der Sauerstoff-Partialdruck ge­ senkt. Zudem gelangt mit den rezirkulierten Verbrennungsgasen Wärme in die Bereiche der Flamme, in denen die Temperatur für eine Teilvergasung der Öltröpfchen nicht ausreichend ist, so daß auch die für eine effektive Verbrennung erforderliche Vergasung des Öls gefördert wird.

Eine weitere Verringerung der Schadstoffemission und eine weitere Verbesserung der Verbrennung läßt sich mit der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 3 erzielen. Diese unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, daß vor dem Mischrohr 1 und koaxial mit diesem ein Vorsatzrohr 13 angeordnet ist. Es ist mittels Halterungen 14 am Mischrohr 1 derartig befe­ stigt, daß es das verjüngte vordere Ende 2 überlappt. Dadurch wird zwischen dem Mischrohr 1 und dem Vorsatzrohr 13 ein Ring­ spalt 12 gebildet.

Der am Austrittsquerschnitt des Mischrohres 1 anstehende Un­ terdruck bewirkt aufgrund der Anordnung des Vorsatzrohres 13 die Ausbildung einer tertiären Rezirkulation. Diese führt über den Ringspalt 12 aus einem Bereich des Verbrennungsraumes, der durch das Vorsatzrohr 13 von der Flamme gewissermaßen abgeschottet ist, kühlere Verbrennungsgase in den Randbereich der Flamme, die dadurch weiter abgekühlt wird. Diese Kühlung und die weitere Senkung des Sauerstoff-Partialdruckes durch den mit den rezirku­ lierten Verbrennungsgasen zurückgeführten Sauerstoff führen zu einer weiteren Senkung der NO_X-Emission.

Obwohl die durch den Ringspalt 12 zurückgesaugten Verbren­ nungsgase insgesamt auf die Flamme kühlend wirken, ist ihr Wär­ meinhalt ausreichend, um die Restvergasung noch vorhandener Öl­ tröpfchen zu bewirken. Sehr gute Ergebnisse lassen sich erzie­ len, wenn das Verhältnis von Ringspaltbreite zum Innendurchmes­ ser des Vorsatzrohres 13 etwa 1 : 11 bis 1 : 13 beträgt.

Das Öl verbrennt bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 nahstöchiometrisch in einer absoluten Blauflamme. Die Rauchgase weisen geringste Mengen an Kohlenmonoxid auf und sind praktisch rußfrei. Der NO_X-Gehalt im Rauchgas kann gegenüber der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 1 um weitere 10% gesenkt werden.

Claims (5)

1.) Mischeinrichtung für Ölgebläsebrenner, bestehend aus einem Mischrohr (1) als Durchlaß für die Verbrennungsluft, das sich an seinem vorderen Ende (2) konisch auf einen Auslaß­ durchmesser verjüngt, und aus einer im Mischrohr (1) im Be­ reich der konischen Verjüngung angeordneten Stauscheibe (6), welche mittels einer Halterung so an einem Düsenstock (3) befestigt ist, daß sie senkrecht zur Längsachse des Dü­ senstocks (3) liegt, welche mit diesem axial im Mischrohr (1) verschiebbar ist und welche aus einer kreisförmigen Scheibe mit einem zentralen Innenloch (8) zur Einführung des Brennstoffs und eines ersten Teils der Verbrennungsluft in einen Verbrennungsraum und mit radialen Schrägschlitzen (9) zur tangentialen Einführung eines zweiten Teils der Verbrennungsluft in den Verbrennungsraum und aus einem Ring (7) an ihrem Außenumfang besteht, zwischen dem und der In­ nenwand des Mischrohres (1) ein dritter Teil der Verbren­ nungsluft in den Verbrennungsraum einleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischrohr (1) an seinem verjüngten vorderen Ende (2) so weit radial einwärts gebogen ist, daß der Auslaßdurchmesser kleiner als der Durchmesser der Stau­ scheibe (6) ist und daß die Höhe (H) des stirnseitig zum Verbrennungsraum weisenden Ringes (7) der Stauscheibe (6) mindestens so groß wie der Durchmesser des Innenloches (8) der Stauscheibe (6) bemessen ist.

2.) Mischeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Höhe (H) des Ringes (7) der Stau­ scheibe (6) zum Durchmesser des Innenloches der Stauscheibe 1,1 : 1 beträgt.

3.) Mischeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Auslaßdurchmesser des Mischrohres (1) mindestens 10 mm kleiner als der Durchmesser der Stauschei­ be (6) ist.

4.) Mischeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß stromab vor dem Mischrohr (1) und koaxial mit diesem ein im Durchmesser kleineres Vor­ satzrohr (13) derart angeordnet ist, daß es das verjüngte vordere Ende (2) des Mischrohres (1) unter Bildung eines Ringspaltes (12) überlappt.

5.) Mischeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der radialen Breite des Ringspaltes (12) und dem Innendurchmesser des Vorsatzrohres (13) ein Verhältnis 1 : 11 bis 1 : 13 besteht.