DE4231788A1 - Brenner für flüssige oder gasförmige Brennstoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen NO_x-armen Brenner für flüssige oder gasförmige Brennstoffe, mit einem Mischrohr als Durchlaß für die Verbrennungsluft und mit einer im vorderen Be­ reich des Mischrohres angeordneten Stauscheibe, die senkrecht zur Achse des Mischrohres liegt und axial im Mischrohr verschiebbar ist, wobei die Stauscheibe mit einer zentralen Öffnung zur Ein­ führung eines Teils oder des gesamten Brennstoffs und eines er­ sten Teils der Verbrennungsluft (Kernluft) in den Verbrennungs­ raum und mit radialen Schrägschlitzen zur tangentialen Einführung eines zweiten Teils der Verbrennungsluft (Dralluft) in den Ver­ brennungsraum versehen ist sowie einen Kragen an ihrem Außenum­ fang aufweist, zwischen dem und der Innenwand des Mischrohres ein dritter Teil der Verbrennungsluft (Axialluft) in den Verbren­ nungsraum einleitbar ist.

Einen solchen Aufbau weisen heute die meisten Geblä­ sebrenner auf. Die Stauscheibe ist dabei innerhalb des Mischroh­ res so angeordnet, daß die Verbrennungsluft von hinten auf die Stauscheibe trifft und dabei teils durch die zentrale Öffnung, teils durch die radialen Schrägschlitze und teils durch den Zwi­ schenraum zwischen dem Kragen am Außenumfang der Stauscheibe und dem Mischrohr in den Verbrennungsraum gelangt. Im Bereich des Kragens der Stauscheibe verjüngt sich das Mischrohr nach innen, so daß durch axiale Verschiebung der Stauscheibe innerhalb des Mischrohres der Abstand zwischen dem Stauscheibenkragen und dem konisch verjüngten vorderen Ende des Mischrohres, und damit die zugeführte Luftmenge, variiert werden kann.

Die Anordnung der Stauscheibe im Verbrennungsluftraum hat den Zweck, die Flamme zu stabilisieren und eine gute Durch­ mischung von Brennstoff und Luft sicherzustellen und damit eine möglichst vollkommene Verbrennung des Brennstoffs bei stabiler Flammenform zu erreichen. Diese Durchmischung wird einerseits durch den tangential durch die radialen Schrägschlitze eingeführ­ ten Verbrennungsluftanteil und andererseits durch eine sich hin­ ter der Stauscheibe ausbildende Rückströmung bewirkt, durch die Verbrennungsgase zur Flammenwurzel zurückgeführt werden.

Diese Mischeinrichtungen haben sich in der Praxis be­ währt, jedoch hat sich gezeigt, daß mit der herkömmlichen Bauart der Stauscheibe und des Mischrohres die immer schärfer werdenden Forderungen hinsichtlich der Schadstoffbegrenzung der Abgase kaum noch erfüllt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Misch­ einrichtung der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß die Schadstoffe im Abgas, insbesondere der NO_x-Gehalt, wesentlich vermindert werden.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen dem Kragen der Stauscheibe und der Innenwand des Mischrohres ein sich konisch verjüngender Ringkörper angeord­ net ist, der den dritten Teil der Verbrennungsluft in zwei Teil­ ströme aufteilt, und daß im Wege des zwischen dem Ringkörper und dem Mischrohr verlaufenden Teilstroms mehrere Düsen in einer Stirnfläche des Mischrohres angeordnet sind.

Der innere Teilstrom wird als Axialluft zwischen dem Stauscheibenkragen und der Innenfläche des Ringkörpers der pri­ mären Verbrennungszone zugeführt, zusätzlich gelangt ein Teil der verbleibenden Verbrennungsluft über den radialen Ringspalt zwi­ schen der Stirnfläche des Ringkörpers und der Innenfläche der Mischrohr-Stirnfläche als Radialluft ebenfalls in die Primärzone. Durch die in dem Ringspalt radial beschleunigte Radialluft wird die aus Kern-, Drall- und Axialluft gebildete Drallströmung ein­ geschnürt, wodurch die Rückführung heißer, weitgehend ausgebrann­ ter Abgase verstärkt wird. Dies bewirkt eine schnellere Aufhei­ zung des Brennstoffs und eine Verringerung des Sauerstoffgehalts in der brennstoffreichen Primärzone und dadurch eine Reduzierung von Brennstoff- und thermischem NO_x.

Die restliche Verbrennungsluft wird als Stufenluft über die Düsen in der Mischrohr-Stirnfläche axial oder leicht nach in­ nen geneigt der Sekundärzone zugeführt. Durch den hohen Axialim­ puls der Einzelstrahlen wird Abgas aus dem Feuerraum angesaugt und in den Luftstrahl so eingemischt, daß Luft und Abgas bereits vor Eindringen in die Sekundärzone weitgehend vermischt sind.

Durch axiale Verschiebung des Ringkörpers kann die Auf­ teilung zwischen Axial- und Radialluft eingestellt werden, wo­ durch der Zuströmwinkel des Gemisches aus Axial- und Radialluft einstellbar ist. Ein höherer Radialluftanteil verstärkt die Ein­ schnürung und senkt über die stärkere innere Rückströmung die NO_x-Emission. Dabei kann es zweckmäßig sein, daß der Ringspalt zwischen dem Ringkörper und dem Innenrand der Mischrohrstirn­ fläche schräg nach vorn geneigt ist.

Vorzugsweise sind in der Mischrohr-Stirnfläche etwa fünf bis zehn Düsen angeordnet, die axial verlaufen oder leicht einwärts geneigt sind, so daß die aus ihnen ausströmende Luft in Richtung auf die Mittellinie der Mischeinrichtung gelenkt wird.

Durch die Anordnung des Ringkörpers ist es möglich, die Stirnfläche des Mischrohrs über den Durchmesser der Stauscheibe hinaus einwärts zu ziehen, ohne daß die Innenseite der Stirnflä­ che bei einem Ölbrenner von Öltröpfchen getroffen wird.

Vorzugsweise ist in an sich bekannter Weise vor dem Mischrohr ein Vorsatzrohr für eine gezielte Abgasrückführung vorgesehen.

Ferner ist es zweckmäßig, auf der Anströmseite der Stauscheibe eine Drosselkammer mit einstellbarer Eintrittsfläche vorzusehen, um bei höheren Gebläsedrücken den Druck vor der Stau­ scheibe zu reduzieren. Außerdem ist es von Vorteil, zwischen der Stauscheibe und dem Ringkörper eine Drosseleinrichtung vorzusehen, um bei hohen Gebläsedrücken die Geschwindigkeit der Axialluft zu reduzieren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels eines Ölbrenners näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt ein Mischrohr 1, das sich am vorde­ ren Ende 2 leicht konisch verjüngt und in eine Stirnfläche 15 mündet, und in dem zentral, z. B. bei flüssigem Brennstoff, eine Brennstofflanze 3 mit einer Brennstoffdüse 4 angeordnet ist. An der Brennstofflanze 3 ist mit Streben 5 eine Stauscheibe 6 befe­ stigt, die mit der Brennstofflanze im Mischrohr 1 axial ver­ schiebbar ist, und die an ihrem Umfang in bekannter Weise mit einem Kragen 7 versehen ist. Die Stauscheibe 6 besitzt in übli­ cher Weise eine zentrale Öffnung 8 als Durchlaß für einen Teil oder den gesamten Brennstoff und einen ersten Teil 9 der Verbren­ nungsluft, die auch als Kernluft bezeichnet wird. Im Bereich der Kernluft erfolgt z. B. auch die Zündung. Ferner sind in üblicher Weise zwischen der zentralen Öffnung 8 und dem Außenrand der Scheibe radiale Schlitze vorgesehen, die durch flügelartige Vor­ sprünge 10 gebildet werden, und die durch einen Drückvorgang in der Scheibe 6 angebracht werden. Dadurch wird ein zweiter Teil des Verbrennungsluftstroms in tangentialer Richtung als Dralluft 11 in den Verbrennungsraum geleitet.

Diese Dralluft sorgt in Verbindung mit der Versperrung durch die Stauscheibe für die Stabilisierung der Flamme unmittel­ bar vor der Stauscheibe durch Rückführung heißer Verbrennungs­ gase.

Die Erfindung sieht nun zwischen dem Kragen 7 der Stau­ scheibe und der Innenfläche des Mischrohres 1 einen Ringkörper 13 vor, der den dritten Teil 12 der Verbrennungsluft in zwei Teil­ ströme aufteilt. Der eine Teilstrom verläuft als Axialluft 14 zwischen Stauscheibenkragen 7 und der sich konisch verjüngenden Innenfläche des Körpers 13 in den primären Verbrennungsraum, wo­ bei die Stauscheibe 6 axial verschiebbar ist, um die Axialluft 14 zu dosieren und an die jeweils geforderte Leistung des Brenners anzupassen. Der andere Teilstrom 17 läuft außen am Ringkörper 13 vorbei.

Die Stirnseite des Ringkörpers 13 bildet mit der Innen­ seite der Mischrohr-Stirnfläche 15 einen radialen Ringspalt 18, über den ein Teil 17a des Luftstroms radial beschleunigt wird.

Die restliche Verbrennungsluft, etwa 30 bis 70%, vor­ zugsweise 50% der stöchiometrischen Luftmenge, tritt in Einzel­ strahlen 17b durch die Düsen 16 in die sekundäre Verbrennungs­ zone.

Der Ringkörper 13 ist axial verschiebbar in einer Füh­ rung im Mischrohr 1 gelagert, so daß für eine bestimmte Stau­ scheibenposition die Aufteilung zwischen Axialluft 14 und Radialluft 17a, und damit der Zuströmwinkel, des Gesamtstromes 14 und 17a eingestellt werden kann. Im Extrem kann die Axial- bzw. die Radialluft vollständig reduziert werden.

Die Innenkante der Stirnfläche 15 liegt ausreichend weit außen in bezug auf die zentrale Öffnung 8 der Stauscheibe, so daß z. B. bei flüssigen Brennstoffen keine Gefahr besteht, daß Tröpfchen auf die Innenseite der Stirnfläche aufprallen.

Die Innenkante der Stirnfläche 15 kann daher auch noch weiter als dargestellt nach innen gezogen werden.

Ferner ist es möglich, zur Abschwächung der Einschnü­ rung den radialen Ringspalt durch Neigung der Stirnflächen von Ringkörper und Mischrohr schräg auszugestalten.

Wie zuvor erwähnt, wird durch den radialen Luftstrom 17a die innere Rezirkulation verstärkt, während die Luftstrahlen 17b als Stufenluft mit hoher Geschwindigkeit in die Sekundärzone gelangen, wobei die Einmischung der aus dem Feuerraum angesaugten Abgase in die Luftstrahlen erfolgt, bevor diese die Flamme errei­ chen. Die beiden Luftströme 17a und 17b sorgen somit durch Ver­ größerung der inneren Rückströmung in der Primärzone und der äußeren Rückströmung von Abgas in die Sekundärzone für eine Redu­ zierung des Sauerstoffgehalts in der Primärzone und für eine starke Temperaturabsenkung in der Sekundärzone, wodurch Brenn­ stoff-NO_x und thermisches NO_x stark reduziert werden.

Zur Verbesserung der äußeren Abgasrückführung kann in bekannter Weise außen vor dem Mischrohr 1 ein Rezirkulationsrohr 19 vorgesehen werden, das den Sauerstoffgehalt der zurückgesaug­ ten Abgase reduziert und den Impulsaustausch erhöht, wobei sich eine hohe Effizienz ergibt, weil die Abgasmenge früh in die Flam­ me eindringt. Ferner kann in Strömungsrichtung vor der Stauschei­ be eine Drosselkammer 20 angeordnet werden, mit der der Druck an der Stauscheibe reduziert und damit bei hohen Gebläsedrücken die Zündung sowie die Flammenstabilität verbessert werden. Dabei kann der Druck durch Änderung der Eintrittsfläche in die Kammer ein­ stellbar gemacht werden.

Ferner kann auf dem Stauscheibenkragen 7 eine Drossel 21 vorgesehen werden, um die Geschwindigkeit der Axialluft bei hohen Gebläsedrücken zu reduzieren.

Schließlich sei erwähnt, daß die Düsen 16 nicht ein­ wärts geneigt sein müssen, sondern daß ihre Achsen auch parallel zur Mittelachse des Mischrohrs 1 verlaufen können. Darüber hinaus ist es möglich, nur einen Teil der Düsen achsparallel auszurich­ ten und die restlichen Düsen geneigt anzuordnen.

Die Erfindung ist nicht auf Ölbrenner beschränkt, son­ dern auch bei Brennern für gasförmige Brennstoffe anwendbar.

Claims (9)

1. Brenner für flüssige oder gasförmige Brennstoffe, mit einem Mischrohr als Durchlaß für die Verbrennungsluft und mit einer im vorderen Bereich des Mischrohres angeordneten Stauschei­ be, die senkrecht zur Achse des Mischrohres liegt und axial im Mischrohr verschiebbar ist, wobei die Stauscheibe mit einer zen­ tralen Öffnung zur Einführung eines Teils oder des gesamten Brennstoffs und eines ersten Teils der Verbrennungsluft (Kern­ luft) in den Verbrennungsraum und mit radialen Schrägschlitzen zur tangentialen Einführung eines zweiten Teils der Verbrennungs­ luft (Dralluft) in den Verbrennungsraum versehen ist, sowie einen Kragen an ihrem Außenumfang aufweist, zwischen dem und der Innen­ wand des Mischrohres ein dritter Teil der Verbrennungsluft (Axialluft) in den Verbrennungsraum einleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kragen (7) der Stauscheibe (6) und der Innenwand des Mischrohres (1) ein sich konisch verjün­ gender Ringkörper (13) angeordnet ist, der den dritten Teil der Verbrennungsluft (12) in zwei Teilströme (14, 17) aufteilt, und daß im Wege des zwischen dem Ringkörper (13) und dem Mischrohr (1) verlaufenden Teilstroms (17) mehrere Düsen (16) in einer Stirnfläche (15) des Mischrohres (1) angeordnet sind.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (13) axial verschiebbar in dem Mischrohr (1) gelagert ist.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (18) zwischen dem Ringkörper (13) und dem Innenrand der Mischrohrstirnfläche (15) schräg nach vorn geneigt ist.

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stirnfläche (15) des Mischrohrs etwa fünf bis zehn Düsen (16) enthält und die Düsen so bemessen sind, daß 30 bis 70%, vorzugsweise 50% der stöchiometrischen Verbren­ nungsluft, die Düsen durchströmt.

5. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (16) axial verlaufen oder mit gleichem Winkel leicht einwärts geneigt sind.

6. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (15) des Mischrohres (1) über den Durchmesser der Stauscheibe hinaus einwärts gezogen ist.

7. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise außen vor dem Mischrohr (1) ein Vorsatzrohr (19) für eine gezielte Abgas­ rückführung vorgesehen ist.

8. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Anströmseite der Stauscheibe (6, 7) eine Drosselkammer (20) mit einstellbarer Eintrittsfläche vorgesehen ist.

9. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Stauscheibe (6, 7) und dem Ringkörper (15) eine Drosseleinrichtung (21) vorgesehen ist, um bei hohen Gebläsedrücken die Geschwindigkeit der Axialluft (14) zu reduzieren.