DE4329971C2 - Brennereinrichtung für einen gasartigen Brennstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennereinrichtung für einen gasartigen Brennstoff nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Eine solche Brennereinrichtung ist bekannt aus DE 31 13 511 C2. Bei dieser wird innerhalb der Brennstoff-Luft-Mischzone und in der nachgeordneten Verbrennungszone eine Wirbelströ­ mung erzeugt. Dabei erfolgt ein Teil der Brennstoffzufuhr über eine zentrale Hohllanze und ein Teil der Luftzufuhr über drallerzeugende Kanäle. Weitere Luft ist durch die Hohllanze zuführbar.

Die bekannte Brennereinrichtung hat den Nachteil, daß relativ hohe Emissionswerte, insbesondere NOx, gemessen werden. Dies beruht darauf, daß eine sehr intensive Durch­ mischung beobachtet wird, was zur Folge hat, daß eine kurze Verbrennungsflamme erzeugt wird, in der hohe Temperaturen herrschen und ein hoher Anteil an Stickoxiden relativ zur Gesamtabgasmenge erzeugt wird.

Weiterhin ist der DE 39 02 601 C2 eine Brennereinrichtung zu entnehmen, an deren Austritt eine Stauscheibe zur Erzeugung einer turbulenten Verwirbelung angeordnet ist. Nachteilig ist, daß sich beschränkte Möglichkeiten ergeben, das Brennstoff-Luft-Gemisch mit ausreichender Genauigkeit einzustellen. Dies führt zu einem höheren Anteil an Stickoxiden, als erwartet.

Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Brennereinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die Flammentemperatur so einstellbar ist, daß der Anteil an Stickoxiden gering gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Dadurch, daß die Hohllanze zwei Gasaustrittsbereiche besitzt, die im Mantel und/oder in der Stirnseite der Hohl­ lanze angeordnet sein können, wird der Brennstoff dosiert und nach und nach der Brennstoff-Luft-Mischzone zugeführt. Die Flammentemperatur erreicht dabei nicht die hohen Werte, wie sie bei einer totalen Durchmischung sich einstellen.

Die Bemessung des Durchmessers und der Länge der Hohllanze verändern die Parameter der Brennstoff-Luft-Mischzone, so daß auch hierdurch je nach dem Brennwert des Brennstoffes noch die für die Entstehung von Stickoxiden maßgebende Flammentemperatur geändert werden kann.

Ein Ventilatordruck von 1 mbar reicht aus, eine optimale Vermischung von Brennstoff und Luft zu erreichen. Die Kapazitätsregelung kann sowohl luv- als als leeseitig zum Ventilator erfolgen.

Die Brennereinrichtung ist relativ unempfindlich für Unter- bzw. Überdruck in der Verbrennungskammer und ermöglicht eine Nachrüstung in vielen Fällen. Sie ist ohne Umbau geeignet für alle Gassorten von Stadtgas bis Butan.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der Ausbildung nach Patentanspruch 7 kann die Brenner­ kapazität in einfacher Weise eingestellt werden durch die Anzahl der tangentialen Kanäle oder Bohrungen.

Durch die Ausgestaltung gemäß den Patentansprüchen 10 und 11 ist die Stickoxid-Erzeugung weiter reduzierbar, denn durch die feinsteuerbare axiale und tangentiale Luftzufuhr ist eine kapazitätsabhängige Rauchgaszirkulation gegeben, mit der die Flammentemperatur verändert werden kann. Durch die beschränkbare Brennstoffzufuhr kann die Flammenfront dabei überstöchiometrisch gehalten werden, so daß auch damit eine Veränderung der Flammentemperatur erreicht wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Die nachfolgende Beschreibung erläutert die Figuren. Von diesen zeigen

Fig. 1a und 1b, 2a und 2b sowie 3a und 3b jeweils einen Längs- und Querschnitt und

Fig. 4 einen Längsschnitt einer Brennereinrichtung.

In Fig. 1a und 1b ist ein Querschnitt durch eine Brenner­ einrichtung, allgemein mit 1 bezeichnet, dargestellt, die sich an eine Kesselwand 2 anschließt. Die Brennereinrichtung 1 weist ein Gehäuse 3 auf, das im wesentlichen zylindrisch geformt ist und mehrere Teile umschließt.

Das Gehäuse 3 umgibt - von außen nach innen gesehen - zu­ nächst eine zylindrische Luftzufuhrleitung 4, der über einen Öffnungsquerschnitt 5 Luft von einem (nicht dargestellten) Gebläse zugeführt wird, wobei der Druck in der Luftzu­ fuhrleitung 4 über Atmosphärendruck liegt. Weiterhin liegt im vorderen Teil des Gehäuses 3 zentrisch ein Stutzenteil 6, der von außen von dem Ende 4' der Luftzufuhrleitung 4 umringt ist. Der Stutzenteil 6 ist mit seiner Stirnseite in eine Stirnwand 8 eingepaßt, die ebenfalls Teil des Gehäuses 3 ist. Die Stirnwand 8 hat die Form eines sehr flachen Kegelstumpfes, dessen kleinere Grundseite die Stirnseite des Stutzenteiles 6 ist. Die Stirnwand 8 besitzt ferner mehrere, z. B. zwölf, Bohrungen 8', die radialsymmetrisch gleichmäßig verteilt um die Peripherie der Stirnwand-Fläche verteilt sind. Durch die Bohrungen 8' strömt ein Teil der Verbren­ nungsluft in den Raum, der von einem Mantelrohr 9 umschlos­ sen ist. Dieser Teil der Verbrennungsluft beträgt etwa 5 bis 35% der gesamten Verbrennungsluft.

An die Stirnwand 8 schließt sich das Mantelrohr 9 an, das sich zum Kesselraum 10 hin öffnet. Das Mantelrohr 9 ist im Bereich der Stirnwand 8 mit einzelnen Öffnungen 11 versehen, die um die Peripherie des Mantelrohres 9 verteilt sind. Nach innen überstehend und anschließend an die Öffnungen 11 ist am Mantelrohr 9 ein Luftleitblech 12 angebracht, das in einem Winkel von etwa 45° schräg steht und etwa um einen Betrag von 3 bis 20% des Innendurchmessers des Mantelrohres 9 in dieses hineinragt. Durch die Öffnungen 11 können Rauch­ gase aus dem Kesselraum 10 zurückgeführt und nachverbrannt werden. Durch die Nachverbrennung der Rauchgase stellt sich eine geringere Flammentemperatur ein.

Der Stutzenteil 6 ist auf seiner gesamten Länge zylindrisch aufgebohrt. Dabei verbleibt eine relativ dicke, zylinder­ ringförmige Wandung 13, die einen Hohlraum, im folgenden als Wirbelkammer 13' bezeichnet, umschließt. Wie Fig. 1b zeigt, ist die Wandung 13 von zahlreichen schlitzartigen Kanälen 18 durchsetzt. Die Kanäle 18 weichen in ihrer Rich­ tung von der Normalrichtung ab, d. h. sie stehen tangential zu einem imaginären Kreis K innerhalb der Brenner-Luft-Misch­ zone 15. Wenn Verbrennungsluft durch die Kanäle 18 strömt, sind diese daher Luftzuführungskanäle und gleichzeitig drall­ erzeugende Vorrichtungen, die mittels der durch sie strömen­ den Luft innerhalb der Wirbelkammer 13' und in der nachge­ ordneten Brennstoff-Luft-Mischzone 15 (gestrichelt umrandet) innerhalb des Mantelrohres 9 eine Wirbelbewegung erzeugen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind in die Wandung 13 zwölf Kanäle 18 für Luft vorgesehen, die über die Luftzu­ fuhrleitung 4 versorgt werden.

An die Wirbelkammer 13' schließt sich ein Stabilisierungs­ rohr 22 an, das dieselbe lichte Weite hat wie die Wirbel­ kammer 13', die im übrigen auf ihrer gesamten Länge densel­ ben Durchmesser hat. Das Stabilisierungsrohr 22 ragt in die Brennstoff-Luft-Mischzone 15 hinein, um die Wirbelbewegung zu stabilisieren. An seinem Ende verringert sich der Durchmesser des Stabilisierungsrohrs 22 etwas, wie aus Fig. 1a hervorgeht.

Weiterhin mündet in die Brennstoff-Luft-Mischzone 15 kon­ zentrisch eine Hohllanze 23, deren Durchmesser etwa 10 bis 40% des Durchmessers der Brennstoff-Luft-Mischzone 15 beträgt und die wiederum vom Stabilisierungsrohr 22 umgeben ist. Die Hohllanze 23 ist als Rohr mit einer geschlossenen Stirnseite 24 gestaltet. In die Hohllanze 23 strömt von ihrem brennerabgewandten Ende das Brenngas ein und gelangt zu Mantelbohrungen. Diese Mantelbohrungen, die peripher gleichmäßig um den Mantel der Hohllanze 23 verteilt sind, bilden zwei, in Achsenrichtung der Hohllanze 23 in Abstand liegende Gasaustrittsbereiche 26 und 27, von denen einer innerhalb und einer außerhalb des Stabilisierungsrohrs 22 liegt. Das austretende Gas wird demnach dem Verbrennungs­ luftstrom nach und nach zugeführt. Die sich ergebenden Ver­ brennungstemperaturen liegen niedriger als bei einer Ver­ brennung bei sofortiger, totaler Durchmischung von Brenn­ stoff und Luft.

Die Hohllanze 23 ist im Inneren des Gehäuses 3 und innerhalb des Stabilisierungsrohres 22 noch von einer Luftzufuhr­ leitung 28 umgeben, die über Einströmöffnungen 28' und 28'' verfügt und zwischen dem vorderen und dem hinteren Gasaus­ trittsbereich 26, 27 endet. Durch die Luft, die durch diese Luftzufuhrleitung 28 strömt, wird das aus dem ersten Gasaus­ trittsbereich 26 ausströmende Gas aufgenommen und der Brenn­ stoff-Luft-Mischzone 15 zugeleitet, ohne daß im Bereich der Luftzufuhrleitung 28 schon eine Verbrennung erfolgt.

Die Luftmenge, die durch die Bohrungen 8' und die Kanäle 18 strömt, wird entsprechend der Gasart, die durch 26 und 27 strömt, und dem Gasdruck zugemessen, beispielsweise durch Verstellung des Ventilatordruckes.

In Fig. 2a und 2b ist eine weitere Brennereinrichtung dargestellt, die allgemein mit 201 bezeichnet ist. Gleiche Teile haben gleiche Bezugszahlen wie in Fig. 1a, 1b.

Das Gehäuse 3 schließt eine zylindrische Luftzufuhrleitung 4 ein. Weiterhin liegt im vorderen Teil des Gehäuses 3 zentrisch ein Stutzenteil 206, der von außen von dem Ende 4' der Luftzufuhrleitung 4 umringt ist. Der Stutzenteil 6 ist mit seiner Stirnseite in die Stirnwand 8 eingepaßt. An die Stirnwand 8, die ein Teil des Gehäuses 3 ist, schließt sich das Mantelrohr 9 an.

Der Stutzenteil 206 ist auf seiner ganzen Länge zylindrisch zu einer Wirbelkammer 13' aufgebohrt, an die sich mit glei­ cher lichter Weite ein Stabilisierungsrohr 222 anschließt. In die Wirbelkammer 13' münden zahlreiche Kanäle, die im vorliegenden Falle nicht als Schlitze, sondern als Rundboh­ rungen 218 gestaltet sind. Die Luftzufuhr durch die Kanäle kann gesteuert werden. Als Steuerorgan ist eine außen­ liegende, verstellbare Hülse 216 vorgesehen, deren Hin- und Herbewegung entweder manuell gesteuert werden kann oder aber mit Hilfe einer Steuervorrichtung, die die Hülse 216 auf­ grund abgetasteter Werte, z. B. des Brennzustandes, oder mit Hilfe eines Thermostat-Systems geregelt verstellt.

Die Bohrungen 218 weichen von der Normalrichtung ab, d. h. sie sind tangential zum imaginären Kreis K innerhalb der Brennstoff-Luft-Mischzone 215 gerichtet. Die Bohrungen 218 sind daher gleichzeitig drallerzeugende Vorrichtungen, die mittels der durch sie strömenden Verbrennungsluft innerhalb der Wirbelkammer 13' und in der nachgeordneten Verbrennungs­ zone 215 eine Wirbelströmung erzeugen. Die Bohrungen 218 können mit Hilfe der Hülse 216 mehr oder weniger zugestellt werden.

Die Gaszufuhr erfolgt über eine zentrisch mündende Hohllanze 223, die als Rohr mit einer geschlossenen Stirnseite gestaltet ist. Dabei ragt das Rohr über das Ende des Stabilisierungsrohrs 222 hinaus in das Mantelrohr 9 hinein. Der Durchmesser der Hohllanze umfaßt etwa 25 bis 35% des Innendurchmessers des Stabilisierungsrohres 222.

In das freie Ende der Hohllanze 223 sind jeweils über den Umfang verteilt auf einer Höhe vier Bohrungen eingearbeitet und in Abstand dazu vier weitere Bohrungen. Es ergeben sich daher auch hier zwei Gasaustrittsbereiche 225', 225, von denen einer innerhalb und einer außerhalb des Stabilisie­ rungsrohres 222 liegt.

Durch Variation des Druckes durch eine (nicht dargestellte) Vorrichtung, die der Hohllanze 223 vorgeschaltet ist, kann der Durchsatz an Brenngas durch die Bohrungen variiert wer­ den. Diese Bohrungen können ebenfalls tangential gerichtet sein, so daß die Wirbelströmung, die bereits durch die ein­ strömende Luft durch die Bohrungen 218 erzeugt wird, ver­ stärkt wird.

Ferner ist durch die Wandung 213 eine Ionisationselektrode 29 eingesetzt, die aus einem isolierenden Mantel 30 und der eigentlichen Elektrode besteht, die an der Peripherie der Austrittsöffnung des Stabilisierungsrohres 222 endet. Die Elektrode 29 dient zur Zündung und dazu, festzustellen, ob eine Flamme vorhanden ist und gegebenenfalls dazu, ein Signal abzugeben, das den Brennzustand anzeigt.

In den Fig. 3a und 3b ist eine ähnliche Brennereinrichtung 301 wie in Fig. 2a, 2b dargestellt. Allerdings sind hier in die Wandung 313 der Wirbelkammer 313' neben von einer Hülse 316 gesteuerten Bohrungen 318 noch eine Zündelektrode 31 und eine Ionisationselektrode 29 eingebaut. Die Hohllanze 323 für die Gaszufuhr ragt überdies noch etwas weiter über das Stabilisierungsrohr 322 hinaus. In die Hohllanze 323 sind Bohrungen eingelassen, die zwei Gasaustrittsbereiche 325 und 325' bilden.

Ferner kann das Mantelrohr 9 mit dem Luftleitblech 12 hin und her geschoben werden, so daß der Abstand der Öffnungen 11 gegenüber der Stirnwand 8 verstellbar ist, was eine optimale Rückführung der Rauchgase zur Steuerung der Brenn­ temperatur gewährleistet.

Fig. 4 zeigt eine Brennereinrichtung, bei der die Bohrungen 418 in der Wandung 413 als Venturi- oder Diffusor-Düsen gestaltet sind. Dies führt zu einer Verbesserung der Drall­ entwicklung und der Energieausnutzung der herangeführten Luft. Das anschließende Mantelrohr 409 ist ebenfalls mit einer Verengung versehen, deren engste Stelle kurz hinter der Stirnseite 424 der von einem Stabilisierungsrohr 422 umgebenen Hohllanze 423 liegt.

Claims (12)

1. Brennereinrichtung für einen gasartigen Brennstoff,

• 1. mit einer im wesentlichen zentrisch zur Brennereinrichtung angeordneten Hohllanze (23; 223; 323; 423) fuer die Brenn­ stoffzufuhr,
• 2. mit wenigstens einer Luftzufuhrleitung (4), die im Bereich einer Brennstoff-Luft-Mischzone (15; 215) endet, in der auch die Hohllanze wenigstens einen Gasaustrittsbereich (26, 27; 225, 225'; 325, 325') aufweist,
• 3. und mit einer drallerzeugenden Vorrichtung, durch die ein Teil der Verbrennungsluft mit einer Drallbewegung in die Brennstoff-Luft-Mischzone einleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
• 4. ein Stabilisierungsrohr (22; 222; 322; 422) die Hohllanze (23; 223; 323; 423) auf einem Teil ihrer Länge zwischen der drallerzeugender Vorrichtung und ihrem Ende in der Brenn­ stoff-Luft-Mischzone (15; 215) umgibt,
• 5. die Hohllanze zwei, in ihrer Achsenrichtung in Abstand liegende Gasaustrittsbereiche (26, 27; 225, 225'; 325, 325') aufweist, von denen einer innerhalb und einer außerhalb des Stabilisierungsrohrs angeordnet ist.

2. Brennereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Stabilisierungsrohr (22) dieselbe lichte Weite hat wie eine Wirbelkammer (13'), die das Innere der drallerzeugenden Vorrichtung bildet.

3. Brennereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohllanze (23) auf dem Teil ihrer Länge, der von der Luftzufuhrleitung (4) bis zum Stabilisie­ rungsrohr (22) reicht, von einer zusätzlichen Luftzufuhr­ leitung (28) umgeben ist.

4. Brennereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Luftzufuhrleitung (28) zwischen dem vorderen und dem hinteren Gasaustrittsbereich (26, 27) der Hohllanze (23) endet.

5. Brennereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Luftzufuhrleitung (28) im Bereich der Luftzufuhrleitung (4) mit peripher angeordneten Einström­ öffnungen (28', 28") versehen ist.

6. Brennereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der drallerzeugenden Vorrichtung eine sich außen an das Stabilisierungsrohr (22) anschlies­ sende Stirnwand (8) nachgeschaltet ist, die an der Peripherie mit Bohrungen (8') für Luft versehen ist.

7. Brennereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in die Wirbelkammer (13') schräg gestellte Kanäle (18) oder Bohrungen (218; 318; 418) münden.

8. Brennereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens ein Teil der Bohrungen (418) in der Wandung der Wirbelkammer in Form von Venturi- oder Diffusor-Düsen ausgestaltet ist.

9. Brennereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff-Luft- Mischzone (15) außerhalb der in der Stirnwand (8) befind­ lichen Bohrungen (8') für Luft von einem Mantelrohr (9) umgeben ist.

10. Brennereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen Stirnwand (8) und Mantelrohr (9) oder im Mantelrohr (9) im Bereich der Stirnwand Rauchgaseintritts­ öffnungen (11) vorgesehen sind.

11. Brennereinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens ein Teil der Rauchgaseintritts­ öffungen (11) des Mantelrohres (9) mit einem nach innen weisenden Luftleitblech (12) versehen ist.

12. Brennereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Mantelrohr (409) im Bereich der Stirnseite der Hohllanze (423) eine Verengung aufweist.