DE4238529C2 - Brenner zur Heißgaserzeugung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner zur Heißgaserzeugung, mit einem ein Stützrohr und ein sich daran anschließendes Flammrohr umfassenden Brennerrohr, mit einer im Stützrohr angeordneten Düse, aus welcher ein Brennstoffstrahl austritt, mit einer im Brennerrohr angeordneten eine Vorkammer und eine Brennkammer voneinander trennenden Blende, die einen vom Brennstoffstrahl durchsetzten zentralen Durchlaß aufweist, und mit einem sich in Brennstoffstrahlrichtung an die Blende anschließenden Mischrohr, das in Umfangsrichtung mehrere Öff­ nungen aufweist.

Derartige Brenner werden als sogenannte Blaubrenner be­ trieben, bei denen Öl durch die Düse zerstäubt wird und mit blauer Flamme vollständig verbrennt. Die blaue Flamme bewirkt eine nahezu stöchiometrische Verbrennung, so daß der Anteil an Schadstoffen, wie beispielsweise Stickoxiden, während des Betriebes des Brenners sehr gering gehalten werden kann. Dies wird dadurch erreicht, daß sich aufgrund der in Umfangsrichtung in das Mischrohr eingeformten Öffnungen eine Rezirkulation von Rauchgas ausbildet. Das hinter dem Mischrohr durch Verbrennung erzeugte Rauchgas strömt teilweise an der Außenseite des Mischrohres zurück und durch die Öffnungen hindurch wieder in den Bereich der Flamme.

Aus der EP 0 109 585 B1 ist ein Blaubrenner mit den vor­ stehend genannten Merkmalen bekannt. Bei diesem wird zur Ver­ minderung der Rußablagerungen im Bereich der mit dem Flamm­ rohr verbundenen Blende die Blende auf ihrer der Brennkammer abgewandten und der Vorkammer zugewandten Seite mit einer Isolierung versehen, um eine Abkühlung der Blende durch die kalte Luft in der Vorkammer zu reduzieren und somit die Blende auf einer höheren Temperatur zu halten. Das Flammrohr dieses Brenners weist keine Durchbrechungen auf.

Aus der DE 39 06 854 C1 und der DE 40 21 315 C1 ist jeweils ein Blaubrenner bekannt, bei welchem die Außenrezirkulation von Rauchgas über in einem Flammrohr in Lochreihen an­ geordnete Durchlässe erfolgt, wobei diese nicht dazu geeignet sind, den Wärmefluß vom Flammrohr in stromaufwärtiger Rich­ tung wesentlich zu reduzieren.

Bei den vorbekannten Brennern erfolgt nach dem Abschalten eine zusätzliche Schadstoffemission, da aufgrund der Nacher­ wärmung der Düse nach Brennschluß noch Öl aus der Düse her­ austritt und unvollständig verbrennt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Brenner der gattungsgemäßen Art die Schadstoffemission durch eine derartige Nacherwärmung zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird bei einem Brenner der eingangs be­ schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Brennerrohr ein die Wärmeleitung von einem vom brennenden Brennstoffstrahl erhitzten Bereich des Flammrohrs zum Stütz­ rohr reduzierendes Element umfaßt.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird also zwischen dem während des Betriebes des Brenners erhitzten Bereich des Flammrohrs und dem Stützrohr ein die Wärmeleitung re­ duzierendes Element angeordnet. Aufgrund des damit ver­ bundenen geringeren Wärmerückflusses vom heißen Bereich des Flammrohrs zur Düse wird die Nacherwärmung der Düse nach Brennschluß begrenzt und damit insbesondere die Schad­ stoffemission bei Brennschluß reduziert. Zusätzlich wird die Erwärmung des Stützrohrs und der darin enthaltenen Teile be­ grenzt, so daß Probleme des Brenners vermieden werden, die mit einer starken Erhitzung dieser Teile verbunden sind, bei­ spielsweise eine ungleichmäßige thermische Ausdehnung der verwendeten Materialien.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die besonders vorteilhafte Anordnung des die Wärme­ leitung reduzierenden Elementes gemäß Anspruch 2 wird die Nacherwärmung der Düse in starkem Umfang und zuverlässig be­ grenzt.

Bei der konstruktiv besonders einfachen Maßnahme nach An­ spruch 3 bewirkt der Isolationsring eine thermische Isolation des Stützrohres und der Blende vom heißen Bereich des Flamm­ rohres.

Die Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 4, 5 hat den Vorteil, daß das Brennerrohr zur Befestigung des Isolations­ ringes nicht vollständig aufgetrennt werden muß, sondern daß einzelne isolierende Ringsektoren zwischen im Brennerrohr an­ geordneten Stegen gehalten werden. Der Wärmerückfluß kann in diesem Fall nicht über den gesamten Umfang des Brennerrohrs sondern im wesentlichen nur über die Stege erfolgen, wodurch die Wärmeleitung zwischen dem heißen Bereich des Flammrohrs zum Stützrohr beträchtlich reduziert wird. Dabei ist es be­ sonders günstig, wenn das die Wärmeleitung reduzierende Ele­ ment maximal sechs Stege umfaßt.

Besonders günstig ist es, wenn die Stegbreite entsprechend Anspruch 6 ungefähr 5 bis ungefähr 10% des Gesamtumfanges des Brennerrohrs beträgt, da dadurch die Wärmeleitung besonders stark reduziert wird, ohne daß dabei die mechanische Stabili­ tät des Brennerrohrs beeinträchtigt wird.

Die gemäß Anspruch 7 in das Brennerrohr eingeformten Schlitze dienen zum einen dazu, den Wärmefluß zwischen dem erhitzten Bereich des Flammrohrs und dem Stützrohr zu reduzieren, und zum anderen ermöglichen sie eine Außenrezirkulation des Rauchgases. Das aus dem Mischrohr austretende, rezirku­ lierende Rauchgas teilt sich somit auf in einen Anteil, der an der Außenseite des Mischrohres und innerhalb des Flamm­ rohres zwischen dem Mischrohr und dem Flammrohr zurück zu den Umfangsöffnungen des Mischrohres verläuft und dort wieder in das Mischrohr eintritt, und einem zweiten Anteil, der in Brennstoffstrahlrichtung aus dem Flammrohr austritt, an­ schließend an der Außenseite des Flammrohrs zurückverläuft, von Kesselwandungen abgekühlt wird und durch die Schlitze in den Bereich der inneren Rezirkulation eintritt. Damit wird dem innen rezirkulierenden Abgasstrom gleichförmig aus­ gekühltes Rauchgas aus einer Außenrezirkulation zugemischt. Die Zumischung von ausgekühltem Rauchgas aus der Außen­ rezirkulation bewirkt eine zusätzliche Reduzierung der Stickoxidemission des Brenners. Außerdem senkt die Zumischung von ausgekühltem Rauchgas die Verbrennungstemperatur, so daß das Flammrohr weniger heiß wird, was zusätzlich den Wärmefluß in die Düse verringert.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schlitze nach Anspruch 8 angeordnet sind. Dabei befinden sich sowohl die in das Brennerrohr eingeformten Schlitze als auch die Umfangs­ öffnungen des Mischrohres in Brennstoffstrahlrichtung un­ mittelbar hinter der Blende, so daß das rezirkulierende Rauchgas besonders effektiv und gleichförmig dem Brenn­ stoffstrahl und dem damit verbundenen Brennluftstrom zu­ gemischt wird. Da sich die in das Brennerrohr eingeformten Schlitze im wesentlichen über den gesamten Umfang des Brennerrohrs erstrecken, wird das rezirkulierende Rauchgas im wesentlichen entlang des gesamten Umfanges des Brennerrohrs kreisringförmig und damit besonders gleichmäßig dem Brennluftstrom zugemischt. Die Gleichmäßigkeit der Zumischung bewirkt eine besonders effektive Reduzierung der Stickoxidemission und damit im Zusammenhang mit der aufgrund der reduzierten Wärmeleitung zwischen dem erhitzten Bereich des Flammrohrs und dem Stützrohr erheblich verringerten Schadstoffemission bei Brennschluß einen besonders abgasarmen Brenner.

Zur Reduzierung der Wärmeleitung ist für die in das Brenner­ rohr umfangsmäßig eingeformten Schlitze nur eine sehr schmale Ausdehnung in Brennstoffstrahlrichtung notwendig. Diese Aus­ dehnung entspricht im wesentlichen der entsprechenden Aus­ dehnung der in das Mischrohr eingeformten Umfangsöffnungen, maximal beträgt die Ausdehnung der Schlitze in Brenn­ stoffstrahlrichtung ungefähr 0,1 bis 0,4 mm, insbesondere un­ gefähr 0,25 mm je Kilowatt Brennerleistung. Damit ist ein weiterer Vorteil verbunden, denn es ist besonders günstig, wenn beim Starten des Brenners eine Unterdrückung der äußeren Rezirkulation bis zur Ausbildung einer stabilen Verbrennung erfolgt, beipielsweise mit Hilfe eines die Schlitze im Brennerrohr überdeckenden Schiebers gemäß Anspruch 9, der nach Ende der Startphase des Brenners soweit in Brenn­ stoffstrahlrichtung verschoben wird, daß er die in das Brennerrohr eingeformten Schlitze freigibt. Aufgrund der ge­ ringen Ausdehnung der Schlitze in Brennstoffstrahlrichtung sind somit nur sehr geringe Hubbewegungen des Schiebers zum Freigeben bzw. Schließen der Schlitze erforderlich. Dies er­ möglicht eine besonders einfache und leicht zu betätigende Konstruktion des Schiebers.

Die Anordnung des Schiebers nach Anspruch 11 bedingt, daß dieser ungefähr denselben Temperaturen ausgesetzt ist wie das Brennerrohr, wodurch unterschiedliche thermische Ausdehnungen und damit verbunden mechanische Verspannungen verhindert werden, so daß eine Funktionsbeeinträchtigung des Schiebers vermieden wird.

Bei der besonders vorteilhaften Führung des Gestänges für den Schieber gemäß Anspruch 12 wird dieses der durch das Stütz­ rohr strömenden kühlen Brennluft ausgesetzt und somit von den an der Düse herrschenden hohen Temperaturen abgeschirmt.

Eine konstruktiv besonders einfache und kostengünstige Aus­ bildung des Schiebers sieht Anspruch 13 vor, da damit keine zusätzlichen Maßnahmen zur axialen Führung des Schiebers not­ wendig sind.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1: einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungs­ beispiel eines Brenners und

Fig. 2: einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungs­ beispiel eines Brenners.

In Fig. 1 ist ein Brennerrohr 10 dargestellt, welches ein Stützrohr 12 umfaßt, an das sich ein Flammrohr 14 anschließt. Das Stützrohr 12 wird von einem in der Zeichnung nicht dar­ gestellten Brennergehäuse gehalten. Im Stützrohr 12 ist eine Vorkammer 16 angeordnet, die sich bis zu einer Blende 18 er­ streckt, welche eine Trennwand zwischen der Vorkammer 16 und einer Brennkammer 20 bildet, die im wesentlichen im Flammrohr 14 angeordnet ist. Die Blende 18 ist im Stützrohr 12 zen­ triert gehalten und am Übergang vom Stützrohr 12 zum Flamm­ rohr 14 positioniert. An die Blende 18 ist ein äußerer Ring­ flansch 22 angeformt, der mit seiner der Brennkammer 20 zu­ gewandten Seite an einem Isolierring 24 anliegt, welcher für eine thermische Isolation zwischen dem Flammrohr 14 und dem Ringflansch 22 sorgt.

In der Vorkammer 16 ist ein Düsenstock 27 mit einer Düse 28 angeordnet, wobei diese Düse 28 koaxial zu einer Mittelachse 30 des Brennerrohrs 10 ausgerichtet ist. Der Düsenstock 27 hält mit einem Dreibein 32 die Blende 18.

Die Düse 28 weist einen Auslaß 34 auf, welcher in Richtung der Mittelachse 30 mit geringem Abstand stromaufwärts einer der Vorkammer 16 zugewandten Oberfläche 36 der Blende 18 an­ geordnet ist. Aus diesem Auslaß 34 tritt ein Brennstoffstrahl 38 aus, welcher einen zentralen Durchlaß 39 der Blende 18 durchsetzt und sich in der Brennkammer 20 innerhalb des Flammrohres 14 stromabwärts der Blende 18 ausbreitet.

Innerhalb der Brennkammer 20 schließt sich an die Blende 18 ein Mischrohr 40 an, welches im Anschluß an die Blende 18 mit Umfangsöffnungen 42 versehen ist, durch welche hindurch eine innere Rezirkulation 54 von Rauchgas von einem innerhalb des Mischrohres 40 liegenden Mischraum 44 über einen zwischen dem Mischrohr 40 und dem Flammrohr 14 gelegenen Rezirkulations­ raum 46 zurück in den Mischraum 44 erfolgt.

Dem Mischraum 44 wird zusätzlich aus der Vorkammer 16 Brenn­ luft über um den Durchlaß 49 herum angeordnete Öffnungen 48 in der Blende 18 zugeführt, welche auf ihrer der Vorkammer 16 zugewandten Seite angephast sind und somit zu einer Ge­ räuschminderung des Brenners beitragen.

In das Flammrohr 14 sind in Umfangsrichtung bezogen auf die Brennstoffstrahlrichtung in Höhe der Umfangsöffnungen 42 des Mischrohres 40 Schlitze 50 eingeformt, die durch drei bis vier Stege 52 mit einer Stegbreite von ungefähr 5 bis un­ gefähr 10% des Gesamtumfanges des Brennerrohres 10 vonein­ ander getrennt sind.

Die Schlitze 50 ermöglichen zum einen eine äußere Rezirku­ lation 56 von Rauchgas, indem dieses ausgehend von dem Misch­ raum 44 aus dem Mischrohr 40 und über eine in der Zeichnung nicht dargestellte, der Blende 18 abgewandte Öffnung des Flammrohres 14 aus dem Flammrohr 14 heraustritt, dieses auf einer Außenseite des Flammrohrs 14 umströmt, dabei von nicht dargestellten gekühlten Kesselwänden abgekühlt wird und durch die Schlitze 50 hindurch in den Rezirkulationsraum 46 und von dort über die Umfangsöffnungen 42 des Mischrohres 40 zurück in den Mischraum 44 strömt. Zum anderen wird durch die Schlitze 50 der Wärmefluß von einem während des Betriebes des Brenners erhitzten Bereich des Flammrohres 14 zum Stützrohr 12 beträchtlich reduziert, da der Wärmefluß lediglich über die wenigen Stege 52, die eine relativ geringe Ausdehnung in Umfangsrichtung aufweisen, erfolgen kann. Somit wird eine Nacherwärmung des Stützrohres 12 und der Blende 18 und damit über das Dreibein 32 auch eine Nacherwärmung der Düse 28 nach Abschalten des Brenners beträchtlich reduziert und die Schad­ stoffemission nach Brennschluß verringert.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt. Dieses ist insoweit, als es mit dem ersten Ausführungsbeispiel iden­ tische Teile aufweist, mit denselben Bezugszeichen versehen, so daß hierzu auf die Ausführungen zum ersten Ausführungs­ beispiel in Fig. 1 vollinhaltlich Bezug genommen wird.

Das zweite Ausführungsbeispiel weist zusätzlich zur Unter­ drückung der äußeren Rezirkulation 56 einen an einer Innenseite 58 des Flammrohres 14 mit einem ringförmigen Mantel 60 anliegenden Schieber 62 auf. Dieser Schieber 62 ist so in Richtung der Mittelachse 30 verschiebbar, daß er die Schlitze 50 wahlweise überdeckt bzw. freigibt, wodurch während des Startens des Brenners die äußere Rezirkulation 56 bis zur Ausbildung einer stabilen Verbrennung unterdrückt werden kann.

Der Schieber 62 wird über ein durch Öffnungen 64 der Blende 18 und durch die Vorkammer 16 geführtes Gestänge 66 mit Hilfe einer in der Zeichnung nicht dargestellten Linear­ verschiebungseinheit betätigt.

Während der Startphase des Brenners läßt sich der Schieber 62 mit seinem Mantel 60 vor die Schlitze 50 bewegen und unter­ drückt somit die äußere Rezirkulation 56 in den Rezirkulationsraum 46 und den Mischraum 44, so daß der Brenner in der Startphase stabil brennt. Nach Beendigung der Startphase wird der Schieber 62 mit Hilfe der Linearverschiebungseinheit und des Gestänges 66 in Richtung von der Blende 18 weg in Brennstoffstrahlrichtung verschoben, so daß er die Schlitze 50 freigibt und damit eine äußere Rezirkulation 56 erfolgen kann. Aufgrund der geringen Aus­ dehnung der Schlitze 50 in Brennstoffstrahlrichtung sind zum Überdecken bzw. Freigeben der Schlitze 50 nur geringe Hub­ bewegungen des Schiebers 62 erforderlich.

Claims (14)

1. Brenner zur Heißgaserzeugung, mit einem ein Stützrohr und ein sich daran anschließendes Flammrohr umfassenden Brennerrohr, mit einer im Stützrohr angeordneten Düse, aus welcher ein Brennstoffstrahl austritt, mit einer im Brennerrohr angeordneten eine Vorkammer und eine Brenn­ kammer voneinander trennenden Blende, die einen vom Brennstoffstrahl durchsetzten zentralen Durchlaß auf­ weist, und mit einem sich in Brennstoffstrahlrichtung an die Blende anschließenden Mischrohr, das in Umfangs­ richtung mehrere Öffnungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennerrohr (10) ein die Wärmeleitung von einem vom brennenden Brennstoffstrahl (38) erhitzten Bereich des Flammrohrs (14) zum Stützrohr (12) reduzierendes Element umfaßt.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Wärmeleitung reduzierende Element in einem sich in Brennstoffstrahlrichtung an die Blende (18) an­ schließenden Bereich des Brennerrohres (10) angeordnet ist.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Wärmeleitung reduzierende Element einen in das Brennerrohr (10) eingefügten Isolationsring umfaßt.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolationsring im Brennerrohr (10) angeordnete Stege (52) und dazwischenliegende Isolationsringsektoren, insbesondere in Form von in Umfangsrichtung eingeformten Schlitzen (50) umfaßt.

5. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das die Wärmeleitung reduzierende Element maximal sechs, vorzugsweise drei bis vier, Stege (52) umfaßt.

6. Brenner nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegbreite ungefähr 3 bis ungefähr 15%, vorzugs­ weise ungefähr 5 bis ungefähr 10%, des Gesamtumfanges des Brennerrohres (10) beträgt.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (50) bezogen auf die Brennstoffstrahlrichtung in Höhe des Mischrohres (40) in das Brennerrohr (10) eingeformt sind.

8. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischrohr (40) in einem der Blende (18) benachbarten Be­ reich mit Umfangsöffnungen (42) versehen ist und die Schlitze (50) bezogen auf die Brennstoffstrahlrichtung in Höhe der Umfangsöffnungen (42) in das Brennerrohr (10) eingeformt sind.

9. Brenner nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (50) während der Startphase des Brenners zur Unterdrückung der äußeren Rezirkulation (56) von ausgekühltem Rauchgas von einem Schieber (62) überdeckbar sind.

10. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (62) einen ringförmigen Mantel (60) aufweist und in axialer Richtung verschiebbar ist.

11. Brenner nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (62) innerhalb des Brennerrohrs (10) angeordnet ist.

12. Brenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (62) über ein durch das Stützrohr (12) ge­ führtes Gestänge (66) verschiebbar ist.

13. Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (62) an einer Innenseite (58) des Flamm­ rohres (14) geführt ist.

14. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die Wärmeleitung reduzierende Element aus einem einen hohen Wärmeleitungswiderstand aufweisenden Material, insbesondere aus Keramik, be­ steht.