DE2064253A1 - Hochleistungs Gasbrenner - Google Patents

Description

Hochleistungs-Gasbrenner

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochleistungs-Brenner für Stadtgas, Propan, Butan oder dergleichen mit einer Brennkammer und einer durch eine Wand der Brennkammer ragende Düse für die Zuführung eines Gas-Luft-Gemisches.

Man hat schon lange versucht, Hochleistungs-Gasbrenner zu verwirklichen, d. h. Brenner, bei denen die Kalorienmenge, die pro Volumeneinheit durch Verbrennung freigesetzt wird, sehr groß ist. Es handelte sich hierbei eher um ein Problem der Brennkammern als um den gesamten Brenner; beispielsweise liegt die erzeugte Wärmemenge bei der normalen Verbrennung bei 300 000 bis 500 000 kcal/h.nr; bei einem Hochleistungs-Brenner begegnet man nicht selten Wärmemengen in der Größenordnung von 15 Millionen bis 20 Millionen kcal/h.m .

Wegen dieser sehr beträchtlichen Wärmefreigabe haben die Kammerwände eine sehr hohe Temperatur und strahlen deswegen einen beträchtlichen Teil der Verbrennungswärme des Gases ab. Man kann beispielsweise die auf hoher Temperatur befindlichen Strahlungsquellen leicht so anordnen, daß zu behandelnde Produkte gleichförmig erwärmt werden. Diese Brenner werden aus diesem Grunde häufig in Öfen zum Aufheizen, besonders wenn man eine sehr rasche Aufheizung wünscht, angewendet, wobei es die hohe Temperatur der Strahlungsquelle gestattet, sehr erhebliche Wärme-

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energien zu übertragen.

Es sind verschiedene Lösungen vorgeschlagen worden, um solche Hochleistungs-Brenner zu verwirklichen. Sie arbeiten alle mit einer kräftigen Vermischung der frischen Gase mit verbrannten und heißen Gasen in der Art, daß die frischen Gase eine sehr schnelle Temperaturerhöhung erfahren und demzufolge praktisch unverzüglich zünden.

Diese Verfahren haben aber alle gemeinsam, daß sie eine wesentliche Zufuhr mechanischer Energie erfordern. Das brennbare Gemisch wird nämlich im allgemeinen mit großer Geschwindigkeit durch sehr feine Öffnungen getrieben, wobei es beim Einführen mit großer Geschwindigkeit tangential längs der Wand in starke Rotation versetzt wird und wobei außerdem die Stabilisierung durch die Rezirkulation von heißen Gasen hinter Hindernissen, die in der Gasströmung angeordnet sind, erfolgt. Diese Vorrichtungen arbeiten mit erheblichen Ladungsverlusten in dem Kreis des frischen Gases und machen es daher notwendig, daß Hochdruckventilatoren höhere Mischungsdrücke erzeugen.

Nun sind bestimmte Gase, wie Propan und Butan, in Flaschen und Behältern unter verhältnismäßig hohem Druck verfügbar. Man ist geneigt, diesen Antriebsdruck zu verwenden, um Luft mit ausreichender Geschwindigkeit anzusaugen, damit sich rasch ein Gemisch in der Brennkammer ergibt. Unglücklicherweise benötigen aber die unter hohem Druck verfügbaren Gase, wie Propan, auch ein sehr großes Luftvolumen, damit sich eine vollständige Verbrennung ergibt (23 Volumenteile Luft auf 1 Volumenteil Propan). Die mechanische Energie ist im übrigen proportional dem Druck und sie muß unter Berücksichtigung des größeren Mischungsfaktors auf ein großes Volumen verteilt werden. Im Endergebnis ist die verfügbare Energie pro m Gemisch nur klein, umso mehr als die Leistung der Düsen sinkt, wenn der Mischungs- oder Verdünnungsfaktor steigt. Sie vermindert sich auf 50 %, wenn die ein-saugenden und die eingesaugten Volumen bis auf etwa 10 % gleich sind, und wird

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noch kleiner, wenn der Mischungsfaktor, wie für Propan, 23 beträgt. Man kann also nicht auf höhere Geschwindigkeiten als 7 m/s hoffen, was einen dynamischen Druck in der Größenordnung von 3 mm WS entspricht, wenn Propan die gesamte Luftmenge ansaugen soll.

Bei Öfen stehen die Brennkammern unter einem Druck, der etwas unter dem atmosphärischen Druck liegt. Man kann versuchen, diesen Unterdruck zu benutzen, um Luft in den Brenner einzuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochleistungs-Gasbrenner anzugeben, der mit geringer mechanischer Energie eine vollständige Verbrennung erlaubt, konstruktiv billig ist und in einem großen Heizleistungsbereich ein sicheres Arbeiten erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der Düse, die in der Mitte der Brennkammer angeordnet ist, und der Brennkammer-Wand ein freier Ringspalt vorgesehen ist, der in Verbindung mit der Außenseite steht und durch den ein Teil der Verbrennungsluft eindringt.

Wegen der Vorteile des Erfindungsgegenstandes und wegen seiner weiteren Ausgestaltungen wird auf die Figurenbeschreibung verwiesen. Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels, das sehr schematisch in der Zeichnung dargestellt ist, erläutet. Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen Hochleistungs-Brenner gemäß der Erfindung und

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der zugehörigen Düse.

Der Brenner umfaßt eine Zentraldüse 1, durch die ein Gas-Luft-Gemisch eintritt. Diese Düse ist im Zentrum einer Brennkammer 2 angeordnet, die konisch geformt ist und an ihrem unteren Teil eine plötzliche Verengung darstellende Wand 3 aufweist,

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die einen Radialspalt 4 um die Düse 1 freiläßt. Durch diesen Ringspalt 4 dringt Außenluft in die Brennkammer 2, und zwar unter der Wirkung des Unterdrucks in dem Ofenraum, welcher Unterdruck durch natürlichen oder mit Hilfe bekannter Mittel mechanisch erzeugten Zug ensteht.

Mit Bezug auf die bekannten Hochleistungs-Brenner, bei denen die gesamte einzuführende Luft durch die Düse strömt, weist die Anordnung nach der Erfindung zahlreiche Vorteile auf.

1. Die durch den Ringspalt eintretende Sekundärluft erlaubt es, daß nur ein Teil der gesamten für die Verbrennung erforderliche Luft im Gemisch mit dem Gas eingeblasen wird. Man kann sich beispielsweise mit einer Primärmischung, die 50 % der Verbrennungsluft enthält, zufriedengeben, also 11,5 Volumenteile Luft für 1 Volumenteil Propan. Die Leistung der Düse ist entsprechend höher (20 - 25 %) und man benötigt für die Mischung einen Gesamtdruck in der Größenordnung von 45 - 50 mm Wassersäule. Dieser Druck ist ausreichend, um die Druckverluste in den Leitungen zu überwinden und Geschwindigkeiten von 20 - 25 m/s am Ausgang der Düse zu erreichen.

2. Die Düse hat eine sehr niedrige Temperatur. Bei den bekannten Brennern steht die Düse mit der Ofenwand oder -auskleidung in Berührung, damit eine Dichtheit sichergestellt ist. Die Auskleidung hat infolge des Brennerprinzips eine sehr hohe Temperatur. Infolgedessen empfängt die Düse durch Leitung eine erhebliche Wärmemenge und nimmt ebenfalls eine erhöhte Temperatur an. Es ist notwendig, die Düse aus hitzebes&ndigem Stahl oder aus Keramik herzustellen. Im Gegensatz dazu ist die Düse nach der Erfindung von der Auskleidung durch den Ringspalt 4 getrennt, so daß die Wärme sich nicht bis zu ihr hin ausbreiten kann. Des weiteren kühlt die Sekundärluft, die durch den Ringspalt 4 streicht, die Düse und senkt noch deren Temperatur. Es ist daher insgesamt möglich, diese Düse aus normalem Stahl herzustellen. Durch Versuche wurde festgestellt, daß die Düsentemperatur 275° C

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beträgt, während sich die Brennkammer auf 1 400 C befindet. Dieser Kühleffekt kann noch verstärkt werden, wenn die Düse mit etwa parallel zu ihrer Achse verlaufenden Rippen versehen wird.

Die intensive Kühlung der Düse durch die Sekundärluft erlaubt es andererseits, einen Flammenrückschlag bei geringer Heizleistung zu verhindern. Es ist bekannt, daß eine Flamme nicht durch eine Öffnung schlägt, deren Durchmesser bzw. Querschnitt kleiner ist als ein bestimmter Wert, der Durchschlags-Durchmesser oder -Querschnitt, genannt wird. Dieser Durchmesser hängt von der Temperatur der Wand und von der Anreicherung des Gasgemisches ab. Je heißer die Wand umso kleiner der Durchmesser. Bei einer Temperatur von 350 - 400° C schlägt die Flamme zurück, egal welchen Wert der Durchmesser hat, wenn die Fortschreitungsgeschwindigkeit der Flamme größer ist als die tatsächliche Geschwindigkeit des Gemisches. Wenn die Düse sich auf einer Temperatur unterhalb dieses Wertes befindet, kann die Flamme bei den erfindungsgemäßen Brennern nicht zurückschlagen, weil die Kanäle 5, die in dem Kern 6 der Düse ausgebildet sind, einen Durchmesser haben, der kleiner ist als der Durchschlags-Durchmesser. Man kann also die Leistung des Brenners bis auf sehr geringe Werte herabsetzen, ohne befürchten zu müssen, daß die Flamme in die Gemisch-Zuleitungen zurückschlägt.

Aus diesem Grund kann man, wenn der Brenner ausgeschaltet wird, nicht die kleine Verbrennung feststellen, die im allgemeinen bei anderen Brennern auftritt, für welche die AustrittsgeBchwindigkeit des noch austretenden Gases unter dem entsprechenden Wert der Flammenfortschreitungsgeschwindigkeit des eingeführten Gasgemisches liegt, wodurch sich eine Zündung des Gemisches in den Leitungen ergibt. Die Betriebssicherheit ist daher verbessert, ohne daß es notwendig ist, zu den üblichen Hilfsmitteln zu greifen, welche einen Flammenrückschlag verhindern.

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4. Schließlich ist die Zufuhr der Sekundärluft eine Funktion des Unterdrucks, der in der Verbrennungskammer herrscht. Man kann also den Luftüberschuß des Brenners auf einfache Weise regeln, indem man die Register betätigt, die gewöhnlich am unteren Ende des Schornsteins angeordnet sind und zwar derart, daß man den geringstmöglichen Luftüberschuß erhält. Man kann sich also mit einer Düse zufriedenstellen, die ein festes Verhältnis zwischen der Luftzufuhr und der Gaszufuhr hat. Eine solche Düse ist augenscheinlich sehr viel einfacher und leichter zu konstruieren als solche Düsen, bei denen es notwendig ist, eine Regelung des Mischungsverhältnisses vorzunehmen.

Es ist auch erwünscht, daß die Sekundärluft sich rasch mit dem brennbaren Gemisch vermischt, um die hohen Verbrennungsintensitäten zu erreichen. Diese Mischung soll mit einem Minimum an Antriebsenergie erreicht werden. Es ist durch Versuche erwiesen worden, daß die beste Arbeitsweise darin besteht, die Gaszufuhr in zahlreiche Einzelströme zu unterteilen, damit die Gemisch-Luft-Zwischenfläche so groß wie möglich ist, und dem Ganzen eine Rotationsbewegung zu verleihen, dessen Wirkungen auf die Erhöhung der Mischungsgeschwindigkeit wohlbekannt sind. Die Flamme ist durch diese Rotation stabilisiert, die Zentrifugalkraft treibt das frische Gas in Kontakt mit der heißen Wand und dieses nimmt rasch die Zündtemperatur an. Andererseits saugt der in der Mitte des Wirbels entstehende Unterdruck die verbrannten, also heißen Gase an, die sich mit den frischen Gasen erneut vermischen und dadurch wiederum deren Temperaturanstieg beschleunigen.

Um diese Rotation zu erhalten, ist es am einfachsten, eine an sich bekannte Vorrichtung zu verwenden, die aus einem zentralen Kern 6 besteht, der in die Düse 1 eingepreßt ist. Dieser Kern hat schraubenförmige Kanäle 5, deren genaue Querschnittsform von geringer Bedeutung ist; sie kann so gewählt werden, wie sie bequem hergestellt werden kann.

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Die schraubenförmigen Kanäle 5 erzeugen die kreisende Bewegung des Gases. Der Steigungswinkel muß empirisch bestimmt werden, um die beste Funktion sicherzustellen. Wenn er zu groß ist, ist die Wirbelbewegung unzureichend, um ein Anliegen an der Wand und die Rezirkulation der Gase sicherzustellen. Die Verbrennung wird daher verzögert; auch haben die Flammen die Neigung, die Brennkammer zu verlassen. Wenn der Winkel zu klein ist, ist die Wirbelbewegung zu intensiv und behindert infolge eines Defekts, der als Luftvorhang wohlbekannt ist, die Sekundärluft beim Eintritt in die Kammer. Ein guter Kompromiß besteht in der Wahl des Steigungswinkels zwischen 20 und 30°.

Die Gaszufuhr erlaubt es, den gesamten Querschnitt der Kanäle zu bestimmen in Abhängigkeit von den gegebenen dynamischen Verhältnissen. Im übrigen ist es notwendig, daß die am Umfang der Düse verteilten Kanalmündungen einen Abstand voneinander haben, der 3 bis 4mal so groß ist, wie ihr Durchmesser, so daß die austretenden Gasstrahlen genügend voneinander entfernt sind, um zwischen sich einen ausreichenden Durchlaß für Sekundärluft zu bilden. Schließlich muß der Durchmesser der Kanäle 5 kleiner sein als der Durchschlags-Durchmesser der Flamme. Diese verschiedenen Überlegungen gestatten es, die Düse und ihren zentralen Kern 6 passend zu dimensionieren.

Der obere Teil 7 des Kerns ist konisch geformt, damit die Rückströmungen der verbrannten Gase erleichtert werden und eine tote Zone vermieden wird, die verbleiben würde, wenn die Düse an ihrem vorderen Ende flach wäre. Der untere Teil 8 des Kernes kann ebenfalls konisch geformt sein, damit die frischen Gase gezwungen werden, dicht an der Wand entlangzuströmen, wo sich die schraubenförmigen Kanäle befinden, so daß ebenfalls eine tote Zone vermieden wird.

Die Herstellung der erfindungsgemäß verwedeten Düsen ist also besonders einfach und sie bietet sich besonders für die Serienfabrikation an. Die Düsenrohre weisen keine Drehteile auf, die auf automatischen Drehbänken hergestellt werden. Die Kerne mit den schraubenförmigen Kanälen können leicht auf

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einer Drehbank und einer Fräsmaschine in großen Längen hergestellt werden, worauf sie in den gewünschten Abmessungen abgeschnitten werden. Der Arbeitsgang des Abschneidens kann so durchgeführt werden, daß automatisch die dargestellte, zweifach konische Form erzielt wird.

Somit bringt der erfindungsgemäß Brenner, der das Freilassen eines Ringspaltes um die Gasdüse für den Zutritt von Sekundärluft umfaßt, erhebliche Vorteile.

- Die Möglichkeit der Verwendung eines sehr gasreichen Primärgemisches, das demzufolge mit einem höheren Antriebsdruck verfügbar ist, ohne daß die Notwendigkeit besteht, auf Vorrichtungen zur Erhöhung dieses Drucks zurückzugreifen.

- Die Kühlung der Düse durch die Sekundärluft, mit der Möglichkeit, für die Düse billigere Werkstoffe zu verwenden.

- Großer Arbeitsbereich, weil die Kanäle mit kleinerem Querschnitt, die in der Düse vorgesehen sind, passend gekühlt sind und daher einem Flammenrückschlag entgegenwirken.

- Vollständige Unterdrückung der Verbrennung im Augenblick des Abschaltens des Brenners.

- Möglichkeiten der Steuerung der Überschußluft durch Einwirken auf den Zug in der Verbrennungskammer.

Es können mehrere Kammern in einer Gruppe verwendet werden. Auch braucht die Brennkammer 2 keinen kreisförmigen Querschnitt zu haben, sie kann beispielsweise sechseckig sein. Bei der letztgenannten Form erhält man für den Fall, daß die Brenner seitlich nebeneinander angeordnet sind, Trennwände, deren Dicke überall gleich ist, nach Art der Bienenwaben. Diese Anordnung gewährleistet eine sehr große Homogenität der Temperatur im Innern des hitzebeständigen Wandmaterials und verhindert demzufolge das Auftreten von Rissen wegen verschiedener Wärmedehnungen. Sie erlaubt es auch, den Brennkammern eine sehr große Oberfläche zu geben.

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Claims (7)

20RA253 Patentansprüche

1. Hochleistungs-Brenner für Stadtgas, Propan, Butan oder dergleichen, mit einer Brennkammer und einer durch eine Wand der Brennkammer ragende Düse für die Zuführung eines Gas-Luft-Gemisches, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Düse (1), die in der Mitte der Brennkammer (2) angeordnet ist, und der Brennkammer-Wand (3) ein freier Ringspalt (4) vorgesehen ist, der in Verbindung mit der Außenseite steht und durch den ein Teil der Verbrennungsluft eindringt.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (1) Kanäle (5) aufweist, die innerhalb der Brennkammer

(2) mit Abstand von der den Ringspalt (4) bildenden Wand

(3) enden, daß diese Wand eine plötzliche Verengung der Brennkammer (2) darstellt und daß die Brennkammer mit dem Ringspalt (4) ausgerichtet ist.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (1) einen rohrförmigen Körper hat, in dem ein zylindrisch ausgebildeter Kern (6) eingepreßt ist, der an seinem Umfang mehrere schraubenförmige, dem Gas-Luft-Gemisch eine Drehbewegung verleihende Kanäle (5) aufweist.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der schraubenförmigen Kanäle (5) einen kleineren Wert hat als der Flammendurchschlags-Querschnitt.

5. Brenner nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (6) an seinen beiden Enden konisch geformt ist.

6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 51 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Brennkammern (2) mit kreisförmigem oder mehreckigem Querschnitt in einer Gruppe nebeneinander angeordnet sind und ein Feld mit großer strahlender Fläche bilden. 109830/1222

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7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Brennkammern (2) mit mehreckigem, insbesondere sechseckigem Querschnitt die Wanddicke durchwegs gleichmäßig ist.

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