DE4201059C2 - Flammrohr für einen Brenner für vergasten flüssigen Brennstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Flammrohr für einen Brenner für vergasten flüssigen Brennstoff, mit einem umlaufenden Rohrmantel, der einen von hinten mit Brennstoff und und Primär- sowie Sekundärluft beaufschlagbaren, vorne offenen Brennraum begrenzt und in dem wenigstens eine zum Brennrauum hin offene, einen gleichmäßig auf den Umfang verteilten Gesamtquerschnitt aufweisende Lufteinmündung für einen Sekundärluftstrom vorgesehen ist, welcher wenigstens ein Versorgungskanal zugeordnet ist.

Die DE 40 20 237 A1 zeigt ein gattungsbildendes Flammrohr. Zur Bildung eines Ringspaltes ist ein das Flammrohr umgebender rohrförmiger Mantel vorgesehen. Die Sekundärluft wird vom Luftzuführungsraum durch den Ringspalt und durch Bohrungen in der Wand des Flammrohrs im wesentlichen radial dem Flammenstrahl zugeführt. Dies hat neben dem positiven Effekt, insbesondere den CO-Anteil der Abgase zu verringern, auch zur Folge, daß die Vergasung des Brennstoffes und die Ausbildung des Flammenstrahls gestört werden kann.

Das DE-GM 89 09 288 beschreibt eine Einrichtung zum Rückführen von Verbrennungsprodukten, bei der im Brennerrohr Düsen für die Zufuhr von Sekundärluft vorgesehen sind. Im Bereich der Austrittsöffnungen der Düsen sind weitere Öffnungen zur Injektion von Verbrennungsprodukten vorgesehen. Durch Unterdruck an den Düsen soll also die Injektion des Abgases und auf diese Weise eine Minimierung der Schadstoffemission erreicht werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Flammrohr gattungsgemäßer Art zu schaffen, bei dem bei rußfreier Verbrennung und vergleichsweise geringer Schadstoffemission keinerlei Störung der Vergasung des Brennstoffs und der Ausbildung des Flammstrahls durch den Sekundärluftstrom auftritt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Diese Maßnahmen ermöglichen, daß der dem Brennraum getrennt zuführbare Sekundärluftstrom in einem bestimmten Abschnittsbereich des Flammrohrs eingeführt werden kann, so daß sich eine gezielte Beimischung eines Teils der Verbrennungsluft zu dem im Flammrohr sich ausbildenden Flammenstrahl erreichen läßt. Da hier nicht die gesamte Verbrennungsluft in der Vergasungszone des Brennstoffs aufgeheizt werden muß, wird die Vergasung des Brennstoffs gewährleistet. Zudem führt der Sekundärluftstrom zu einer Senkung der Flammentemperatur durch kleinere Wärmestromdichten entlang des Ausbrandweges sowie zu einer Kühlung des Flammrohrs. Die vorteilhaften Folgen davon sind eine optimale Verbrennung mit einer Minimierung der Schadstoffemissionen und Rußfreiheit des Abgases und damit insgesamt ein verbesserter, feuerungstechnischer Wirkungsgrad.

Dadurch daß der Abstand der Lufteinmündung in das Flammrohr vom vorderen Ende des Flammrohrs höchstens die Hälfte, vorzugsweise höchstens ein Drittel der Gesamtlänge des Flammrohrs beträgt, ist sichergestellt, daß vom Sekundärluftstrom keinerlei Störung der Vergasung des Brennstoffs und Ausbildung des Flammstrahls ausgeht.

Da der in das Flammrohr einmündende Sekundärluftstrom zumindest eine axiale Richtungskomponente aufweist, läßt sich ein schlanker Flammenstrahl erreichen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die Ausbildung entsprechend Anspruch 3 ergibt sich nicht nur eine besonders kompakte Anordnung, sondern die den Rohrmantel durchströmende Sekundärluft führt in vorteilhafter Weise auch zu einer Kühlung des Rohrmantels in dem der Sekundärlufteinmündung vorgeordneten Bereich. Zudem ermöglichen diese Maßnahmen auf einfache Weise die Speisung des Primärluftstroms und des Sekundärluftstroms durch ein und dieselbe Luftquelle, sowie eine besonders gleich­ mäßige Beaufschlagung des Flammenstrahls auf dem gesamten Umfang, wodurch örtliche Schadstoffnester verhindert werden.

Durch die Ausgestaltung gemäß Anspruch 4 ergibt sich eine innere, d. h. dem vorderen Flammrohrende vorgeordne­ te, radiale Stirnfläche, die die Luft­ einmündung enthalten kann. Es läßt sich daher auf einfa­ che Weise eine axiale Richtungskomponente der eingeleite­ ten Sekundärluft erzielen.

In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, eine Leiteinrichtung nach Anspruch 6 vorzu­ sehen. Hiermit läßt sich auf einfache Weise eine radiale Ablenkung des Sekundärluftstroms erreichen.

Vorteilhaft kann der Rohrmantel entsprechend Anspruch 8 als Profilrohr ausge­ bildet sein. Dies ermöglicht eine besonders leichte, mas­ searme Ausführung und ergibt dennoch genügend Fleisch im Bereich der Versorgungskanäle. Gleichzeitig ergibt sich eine zylindrische Innenkontur des Rohrmantels, wodurch Turbulenzen und tote Ecken vermieden werden.

Die Radial­ ausneh­ mungen nach den Ansprüchen 9 bis 11 ermöglichen in vorteilhafter Weise eine Rezirkulation von Rauchgasen in den Brennraum hinein, wodurch die Schadstoffproduktion weiter vermindert werden kann. Ihre Anordnung wird durch die Ausbildung der der Lufteinmündung zugeordneten Versorgungseinrichtung als axiale Bohrungen erleichtert.

Ausführungs­ beispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch ein Flammrohr,

Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch ein weiteres Flammrohr,

Fig. 3 eine Stirnansicht der Anordnung gemäß Fig. 2 und

Fig. 4 einen Teillängsschnitt durch ein Flammrohr in mehrteiliger Bauart.

Das der Fig. 1 zugrundeliegende Flammrohr besteht aus einem umlaufenden, beispielsweise als Keramikformling ausgebildeten Rohrmantel 1, der an seinem hinteren Ende mit einem Stützflansch 2 versehen ist, mittels dessen das Flammrohr beim Einbau in einen Brenner etwa an ein Stütz­ rohr angeflanscht werden kann. Der Rohrmantel 1 umgibt einen Brennraum 3, der im Bereich des vorderen Rohrendes offen ist und im Bereich des hinteren Rohrendes durch einen zur Rohrachse koaxialen Primärluftstrom und in die­ sen in Form eines hierzu koaxialen Sprühkegels eingespritzten Brennstoff beaufschlagt werden kann. Im Brennraum 3 erfolgt die Aufbereitung eines Gemisches, das einen Flammenstrahl speist, der über die offene, vordere Stirnseite des Flammrohrs aus diesem herausbrennt.

Das Flammrohr ermöglicht gleichzeitig eine umfangsseitige Einleitung eines gleichmäßig auf den Um­ fang verteilten Sekundärluftstroms. Hierzu ist der Rohr­ mantel 1 mit gleichmäßig auf seinen Umfang verteilten, axialen Bohrungen 4 versehen, die von der hinteren Rohr­ stirnseite ausgehen und im Bereich der vorderen Rohrhälf­ te in den Brennraum 3 einmünden. Die Bohrungen 4 können bis zur vorderen Stirnseite des Rohrmantels 1 durchgehen. Im dargestellten Beispiel enden die Bohrungen 4 an einem nach innen gehenden, stufenförmigen Absatz 5 des Rohrman­ tels 1. Die vorderen Endquerschnitte der Bohrungen 4 bil­ den insgesamt eine der Sekundärluft zugeordnete Lufteinmündung 6. Diese befindet sich in einer Radialebene, so daß sich eine axiale Strömungsrichtung der hierüber in den Brennraum 3 einströ­ menden Sekundärluft ergibt.

Die Lufteinmündung 6 befin­ det sich im Bereich der vorderen Hälfte des Rohrmantels 1. Durch Versuche wurde für den Abstand l der Lufteinmün­ dung 6 vom vorderen Ende des Rohrmantels 1 in Bezug auf die Gesamtlänge L des Rohrmantels 1 folgende Bemessungs­ regel ermittelt:

l/L < = 0,5.

Zweckmäßig befindet sich dabei die Lufteinmündung 6 im hinteren Bereich der vorderen Hälfte der Gesamtlänge L, so daß sich für das vorstehend genannte Verhältnis etwa der Wert 0,3 ergibt. Der Eingangsquerschnitt am hinteren Ende der Bohrungen 4 ergibt insgesamt einen Anschlußquer­ schnitt 7, nach dem sich die Sekundärluftmenge bemißt. Diese wird im Verhältnis zur Primärluftmenge so bemessen, daß eine optimale Verbrennung erreicht wird. Der der Sekundärluft zugeordnete Anschlußquer­ schnitt 7 und ein der Primärluft zugeordneter Anschluß­ querschnitt, etwa in Form einer zentralen Ausnehmung einer den Brennraum 3 rückwärtig abdeckelnden Blende, kön­ nen durch dieselbe Luftquelle, etwa in Form eines der Blende vorgeordneten Stauraums, oder durch verschiedene Luftquellen beaufschlagt werden.

Die Ausführung gemäß Fig. 2 und 3 entspricht vom Grundsatz her der vorstehend be­ schriebenen Flammrohrausführung. Nachstehend wird dement­ sprechend in erster Linie auf die Unterschiede eingegan­ gen, wobei für einander entsprechende Teile gleiche Be­ zugszeichen Verwendung finden.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 2 und 3 ist der Rohrman­ tel 1 im Bereich der Lufteinmündung 6 doppelwandig ausge­ bildet. Es ergibt sich dementsprechend ein der Luftein­ mündung 6 vorgeordneter, außen und innen durch voneinan­ der distanzierte Rohrwandungen 1a, 1b begrenzter, vorne offener Ringraum 8, in den die Bohrungen 4 einmünden. Die durch das vordere, offene Ende des Ringraums 8 gebildete Lufteinmündung 6 besitzt hier die Form eines umlaufenden Ringspalts. Mit Hilfe des Ringraums 8 wird trotz der um­ fangsseitigen Beabstandung der Bohrungen 4 eine Ver­ gleichmäßigung des über die Lufteinmün­ dung 6 in den Brennraum 3 eintretenden Sekundärluftstroms über dem gesamten Umfang erreicht. Hinsichtlich des Ver­ hältnisses des Abstands l der Lufteinmündung 6 vom vorde­ ren Rohrende in Bezug auf die Gesamtlänge L gilt die oben bereits erwähnte Bemessungsregel. Im dargestellten Beispiel ergibt sich für das angegebene Verhältnis der Wert 0,35.

Die in einer Radialebene angeordnete Lufteinmündung 6 ist durch eine nachge­ ordnete Leiteinrichtung 9 abgeschirmt, die als trichter­ förmig umlaufende Manschette ausgebildet ist, die an die äußere Rohrwandung 1a angesetzt ist. Die Leiteinrichtung 9 bewirkt eine Ablenkung des aus der Lufteinmündung 6 in axialer Richtung austretenden Sekundärluftstroms nach ra­ dial innen. Im dargestellten Beispiel beträgt der Trich­ terwinkel γ der Leiteinrichtung 9 etwa 30°. Es wären aber auch kleinere und größere Trichterwinkel denkbar. Eine Leiteinrichtung vorliegender Art könnte selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der Ausführung gemäß Fig. 1 vorgesehen sein.

Die den Ringraum 8 begrenzenden Rohrwandungen 1a, 1b sind als an einen massiven, hinteren Rohrabschnitt, der von den Bohrungen 4 durchsetzt ist, angesetzte, axiale Krägen ausgebildet, wobei der die innere Rohrwandung 1b bildende Kragen zur Erzielung des Abstands l gegenüber dem die äußere Rohrwandung 1a bildenden Kragen einfach entspre­ chend verkürzt ist. Der hintere, massive Rohrabschnitt kann als Zylindermantel mit zylindrischer Innen- und Außenoberfläche ausgebildet sein. Im dargestellten Aus­ führungsbeispiel ist lediglich eine zylindrische Innen­ oberfläche 10 vorgesehen. Die Außenoberfläche ist zwecks Materialeinsparung und Gewichtserleichterung als Profil­ rohr 11 mit einer gewellten Oberfläche ausge­ bildet, die, wie am besten aus Fig. 3 erkennbar ist, Wellenberge 11a und Wellentäler 11b enthält. Die axialen Bohrungen 4 können dabei, wie Fig. 3 weiter zeigt, im Bereich der Wellenberge 11a vorgesehen sein, so daß sich genügend, die Bohrungen 4 umgebendes Fleisch ergibt. Die Wellentäler 11b sind stirnseitig, wie Fig. 2 erkennen läßt, durch Stirnwände abgeschlossen. Eine ähnliche Pro­ filrohrausführung im hinteren, von den Bohrungen 4 durch­ setzten Bereich könnte auch im Zusammenhang mit der Aus­ führung gemäß Fig. 1 Anwendung finden.

Im Bereich zwischen den axialen Bohrungen 4 sind radiale Ausnehmungen 12 vorgesehen, die als Rezirkula­ tionsöffnungen fungieren, über die Verbrennungsprodukte von außerhalb des Flammrohrs in den Brennraum 3 hinein rezirkulieren können. Die Radialausnehmungen 12 sind gleichmäßig auf den Umfang verteilt. Im darge­ stellten Beispiel befinden sich die Radialausnehmungen 12 im Bereich der Wellentäler 11b und sind so zwischen den Bohrungen 4 positioniert, daß sich hier­ mit keine Verschneidung ergibt. Die Ausbildung der der Lufteinmündung 6 zugeordneten Versorgungseinrichtung als in Umfangsrichtung voneinander distanzierte Bohrungen 4 erleichtert die Anbringung der Radialausnehmungen 12. Diese sind im Bereich des hinteren Drittels der Gesamt­ länge L positioniert. Rezirkulationsöffnungen vorstehend umrisse­ ner Art könnten selbstverständlich auch bei der Anordnung gemäß Fig. 1 vorgesehen sein, die ebenfalls eine durch axiale Bohrungen gebildete, der Lufteinmündung 5 zugeord­ nete Versorgungseinrichtung enthält.

Das der Fig. 4 zugrundeliegen­ de Flammrohr besitzt im Gegensatz zu den vorstehend be­ schriebenen Beispielen einen mehrteilig aufgebauten Rohrmantel 1. Der prinzipielle Aufbau entspricht jedoch den vorstehend beschriebenen Beispielen. Nachstehend wird daher in erster Linie auf die Unterschiede eingegangen, wobei für einander entsprechende Teile gleiche Bezugszei­ chen wie oben Verwendung finden.

Das der Fig. 4 zugrundeliegende Flammrohr besteht aus einem mehrschaligen Rohrmantel 1 mit einer eine äußere Rohrwandung 1a bildenden, äußeren Muffe, in die eine ko­ axial hierzu angeordnete, innere Muffe eingesetzt ist, die eine innere Rohrwandung 1b bildet. Die beiden Muffen sind so dimensio­ niert, daß sich zwischen ihnen ein umlaufender Ringraum 8 ergibt, an dessen vorderem Ende eine ringspaltförmige Lufteinmündung 6 vorgesehen ist, über die ein Sekundär­ luftstrom in den Brennraum 3 eingeleitet werden kann. Die die äußere Rohrwandung 1a bildende Muffe ragt über die die innere Rohrwandung 1b bildende Muffe nach vorne hin­ aus, so daß sich ein Abstand l der Lufteinmündung 6 vom vorderen Ende des Rohrmantels 1 ergibt. Für diesen Ab­ stand l gilt im Verhältnis zur Gesamtlänge L die oben im Zusammenhang mit der Fig. 1 angegebene Bemessungsregel.

Die die äußere Rohrwandung 1a bildende Muffe ist im Bereich der Lufteinmündung 6 stufenförmig nach innen abgesetzt. Die Lufteinmündung 6 wird durch die vordere Stirnseite der die innere Rohrwandung 1b bildenden Muffe und die dieser zugewandte Stirnseite im Bereich der Stufe 5 begrenzt, an die sich nach vorne ein Kragen 13 anschließt.

Der hier bis zum hinteren Ende des Rohrmantels 1 durchge­ hende Ringraum 8 fungiert als der Lufteinmündung 6 zuge­ ordneter Versorgungskanal. Dieser geht hier im Bereich des hinteren Endes in einen erweiterten Ringraum 14 über, der an eine Luftquelle angeschlossen ist. Hierbei kann es sich um dieselbe Luftquelle handeln, die auch zur Speisung des Primärluftstroms dient, oder um eine hiervon unabhängige Luftquelle. Dasselbe gilt selbstverständlich auch für die oben geschilderten Beispiele.

Bei den vorstehend beschriebenen Beispielen ist jeweils lediglich eine Lufteinmündung 6 vorgesehen. Es wäre aber auch denkbar, mehrere derartige Lufteinmündungen 6 in axialer Staffelung vorzusehen, um eine besonders feinfüh­ lige Anpassung an spezielle Verbrennungsbedürfnisse zu ermöglichen. Die im Zusammenhang mit dem ersten Beispiel angegebene Bemessungsregel würde dabei für sämtliche Lufteinmündungen gelten.

Claims (14)

1. Flammrohr für einen Brenner für vergasten flüssigen Brennstoff, mit einem umlaufenden Rohrmantel (1), der einen von hinten mit Brennstoff und Primär- sowie Sekundärluft beaufschlagbaren, vorne offenen Brennraum (3) begrenzt und in dem wenigstens eine zum Brennraum (3) hin offene, einen gleichmäßig auf den Umfang verteilten Gesamtquerschnitt aufweisende Lufteinmündung (6) für einen Sekundärluftstrom vorgesehen ist, welcher wenigstens ein Versorgungskanal zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Lufteinmündung (6) derart in einer Radialebene befindet, daß der über die Lufteinmündung (6) in den Brennraum (3) eintretende Sekundärluftstrom zumindest eine axiale Richtungskomponente aufweist, und daß der Abstand (l) der Lufteinmündung (6) vom vorderen Ende des Rohrmantels (1) höchstens die Hälfte der Gesamtlänge (L) des Rohrmantels (1) beträgt.

2. Flammrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (l) der Lufteinmündung (6) vom vorderen Ende des Rohrmantels (1) höchstens ein Drittel der Gesamtlänge (L) des Rohrmantels (1) beträgt.

3. Flammrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Versorgungskanal bzw. die Versorgungskanäle (4, 8) im Bereich des Rohrmantels (1) verläuft bzw. verlaufen und daß die Lufteinmündung (6) als umlaufender ringspalt ausgebildet ist.

4. Flammrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrmantel (1) im Bereich der Lufteinmündung (6) stufenförmig abgesetzt ist.

5. Flammrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der über die Lufteinmündung (6) in den Brennraum (3) eintretende Sekundärluftstrom eine axiale und radiale Richtungskomponente aufweist.

6. Flammrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Lufteinmündung (6) eine Leiteinrichtung (9), insbesondere in Form einer trichterförmig umlaufenden Manschette, vorgesehen ist.

7. Flammrohr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrmantel (1) zumindest in seinem hinteren Bereich massiv ausgeführt ist und mit zur Lufteinmündung (6) führenden Bohrungen (4) als Versorgungskanäle versehen ist.

8. Flammrohr nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrmantel (1) zumindest in seinem hinteren, von den axial ausgebildeten Bohrungen (4) durchsetzten Bereich als eine gewellte Außenkontur (11a, 11b) aufweisendes Profilrohr (11) ausgebildet ist und daß die Bohrungen (4) im Bereich der Wellenberge (11a) angeordnet sind.

9. Flammrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrmantel (1) gleichmäßig am Umfang verteilte Radialausnehmungen (12) als Rezirkulationsöffnungen aufweist.

10. Flammrohr nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Radialausnehmungen (12) im Bereich zwischen den Bohrungen (4) plaziert sind.

11. Flammrohr nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Bohrungen (4) unverschnittenen Radialausnehmungen (12) im Bereich der Wellentäler (11b) plaziert sind.

12. Flammrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Radialausnehmungen (12) im Bereich der hinteren Hälfte der Gesamtlänge (L) des Rohrmantels (1), insbesondere im Bereich des hinteren Drittels, vorgesehen sind.

13. Flammrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Lufteinmündung (6) mit einer eigenen vom Primärluftstrom unabhängigen Luftquelle verbindbar ist.

14. Flammrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrmantel (1) aus Keramik gebildet ist.