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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner, insbesondere einen Brenner mit einer langen Flamme, wie er zur gleichmäßigen Erwärmung eines langen Ofens eingesetzt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur gleichmäßigen Beheizung eines langen Ofens. Bevorzugt werden ein solcher Brenner und das entsprechende Verfahren beim Aufschmelzen von Metallen eingesetzt, insbesondere von Nichteisenmetallen (NE-Metallen).
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Aus der
DE 2004 037 620 B4 ist beispielsweise ein Brenner mit variabler Flammenlänge bekannt, der mit gasförmigem Brennstoff und Sauerstoff betrieben wird und dessen Flammenlänge einstellbar ist. Gemäß dem Stand der Technik werden Öfen zum Schmelzen von Metallen bevorzugt mit einem Brenner an einem Ende betrieben. Dieser Brenner wird zumeist an der Einlasstür bzw. am Bereich des Einlasses des Ofens installiert, d. h. im Bereich eines Deckels. Hierdurch werden der technische Aufwand und die Kosten insbesondere gegenüber der Verwendung einer Mehrzahl von Brennern gering gehalten. Zum Erwärmen von größeren Chargen werden immer längere Öfen eingesetzt. Hierbei entsteht der Nachteil, dass an dem dem Brenner gegenüberliegenden Ende eines Ofens niedrigere Temperaturen auftreten können als auf der Seite des Brenners. Dadurch kann es zu Ablagerungen von erstarrtem bzw. festem Material kommen, was insbesondere beim Aufschmelzen von Metallen nachteilig ist. Z. B. wird bei einer Aufbereitung einer Legierung die Zusammensetzung verfälscht, wenn höher schmelzende Bestandteile ausfrieren. Um dieses zu vermeiden, wurden bisher bekannte Brenner lediglich mit mehr Durchsatz betrieben, d. h. sowohl die zugeführte Brennstoffmenge als auch die korrespondierende Menge an Sauerstoff wurde erhöht. Dies führt jedoch neben einer erhöhten Lärmbelastung zu einer erhöhten thermischen Belastung der Ofenbauteile und der Ausmauerung, insbesondere im Nahbereich des Brenners. Eine deutliche Temperaturdifferenz zwischen der Seite des Brenners und der gegenüberliegenden Seite konnte nicht vermieden werden.
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Dies konnte auch nicht durch einen Brenner gemäß der
EP 2 166 284 A2 erreicht werden, auch wenn dieser Brenner durch ein asymmetrisches Strömungsprofil eine Anpassung an verschiedene Betriebssituationen ermöglicht.
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Weitere besondere Brenner sind in der
EP 0 038 257 A1 und der
EP 0 663 562 A2 beschrieben, jedoch können auch diese keine gleichmäßige Beheizung moderner langer Öfen gewährleisten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Insbesondere sollen ein Brenner und ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners angegeben werden, mit denen ein langer Ofen weitgehend gleichmäßig erwärmt werden kann. Insbesondere soll eine größere Flammenlänge bei gleichzeitig guter und schadstoffarmer Verbrennung als mit Brennern nach dem Stand der Technik erreicht werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Brenner sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brenners mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen, die einzeln oder in Kombinationen miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der jeweils abhängigen Patentansprüche.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Brenner mit folgenden Merkmalen vorgeschlagen: eine zentral angeordnete erste Zuführung für zumindest einen Brennstoff, insbesondere mit einem zentralen Primärauslass für ein Oxidationsmittel, vorzugsweise Sauerstoff;
- – eine die erste Zuführung umgebende zweite Zuführung mit mindestens einem Sekundärauslass für das Oxidationsmittel;
- – eine die zweite Zuführung umgebende dritte Zuführung mit mindestens einem Hüllstrahlauslass für das Oxidationsmittel,
wobei die zweite Zuführung und die dritte Zuführung so ausgelegt sind, dass eine erste Geschwindigkeit beim Austreten des Oxidationsmittels aus dem mindestens einen Sekundärauslass größer ist als eine zweite Geschwindigkeit beim Austreten des Oxidationsmittels aus dem mindestens einen Hüllstrahlauslass.
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Ein Brenner ist in der Regel ein metallisches und/oder keramisches Bauteil, das die Aufgabe hat, Brennstoff und ein Oxidationsmittel koordiniert in einen Verbrennungsraum einzubringen. Dabei ist vor allem wichtig, dass eine Flamme erzeugt wird, die stabil ausgerichtet ist und mit dem Brennstoff und dem Oxidationsmittel versorgt wird. Weiterhin soll die thermische Belastung für die Bauteile eines solchen Brenners möglichst gering sein. Dies wird durch eine geeignete Eindüsung des Brennstoffs und des Oxidationsmittels erreicht. Der Verbrennungsraum, insbesondere in einem Ofen, wird durch die Flamme beheizt, wobei vor allem Wärme durch Wärmestrahlung und Konvektion in den Ofen eingebracht wird. Bei langen Öfen, die insbesondere eine Länge von mehr als 5 m, vorzugsweise mehr als 8 m haben, ist eine Flamme von ähnlicher Länge wie der des Ofens erforderlich, um eine gleichmäßige Beheizung zu erreichen.
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Zentral im Brenner angeordnet ist eine erste Zuführung für zumindest einen Brennstoff. Als Brennstoff können gasförmige und/oder flüssige Brennstoffe zum Einsatz kommen wie z. B. Erdgas, Biogas und Öl. Vorzugsweise ist zentral in der ersten Zuführung in an sich bekannter Weise ein Primärauslass für ein Oxidationsmittel zur Stabilisierung der Flamme und Verringerung der thermischen Belastung der Brennerbauteile vorgesehen. Weiterhin weist der Brenner eine die erste Zuführung umgebende zweite Zuführung mit mindestens einem Sekundärauslass für das Oxidationsmittel auf. Über den mindestens einen Sekundärauslass wird Oxidationsmittel in den Ofen eingedüst. Bevorzugt wird über den Sekundärauslass der Hauptanteil des für die Verbrennung des Brennstoffs notwendigen Sauerstoffs der Flamme zugeführt.
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Weiterhin umfasst der Brenner eine die zweite Zuführung umgebende dritte Zuführung mit mindestens einem Hüllstrahlauslass für das Oxidationsmittel. Über den mindestens einen Hüllstrahlauslass wird mit dem Oxidationsmittel ein Strahl erzeugt, der das am Sekundärauslass austretende Oxidationsmittel zumindest teilweise umgibt. Vor allem wird aber eine Abschirmung des Oxidationsmittels, das am Sekundärauslass austritt, von vorbestimmten Bereichen ermöglicht. Insbesondere wird der Sekundärstrahl von dem häufig turbulenten Abgasstrom im Ofeninneren abgeschirmt.
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Insbesondere wird der Sekundärstrahl auch zumindest über eine gewisse Strecke von dem Brennstoffstrahl abgeschirmt. Dazu sind die erste und die dritte Zuführung so ausgelegt, dass eine erste Geschwindigkeit beim Austreten des Oxidationsmittels aus dem mindestens einen Sekundärauslass größer ist als eine zweite Geschwindigkeit beim Austreten des Oxidationsmittels aus dem mindestens einen Hüllstrahlauslass. Hierdurch wird erreicht, dass der Sekundärstrahl über eine längere Distanz relativ kompakt bleibt. Insbesondere strömen der Sekundärstrahl und der Hüllstrahl über eine gewisse Strecke fast laminar, so dass auf dieser Strecke Durchmischungen zwischen den verschiedenen Strahlen im Wesentlichen nur auf Grund von Diffusion erfolgen. Aufgrund der geringeren Geschwindigkeit des Hüllstrahls gegenüber der Ofenumgebung, oder ggf. der Flamme, sind die Turbulenzeinflüsse infolge von reduzierter Reibung zwischen den Gasströmen deutlich verringert. Das Gleiche gilt für die Reibwirkung zwischen dem Hüllstrahl und dem Sekundärstrahl im Vergleich zu einem Sekundärstrahl, der nicht abgeschirmt ist, gegenüber der Umgebung. Weiterhin werden Einflüsse auf den Hüllstrahl nicht direkt in den Sekundärstrahl übertragen. Hierdurch werden vor allem zwei Effekte, die maßgeblich sind für die Flammenausbildung, erreicht. Zum einen strömen sowohl der Oxidationsmittelstrahl als auch der Brennstoffstrahl durch die reduzierte Reibungswirkung weiter in den Ofen hinein als das bei Brennern nach dem Stand der Technik der Fall ist. Weiterhin wird die Durchmischung von Brennstoff und Oxidationsmittel über eine längere Strecke verzögert. Hierdurch ist die Flammentemperatur im brennernahen Bereich gegenüber einer konventionellen Verbrennung mit der gleichen Brennstoff- und Oxidationsmittelmenge reduziert. Dies bewirkt, dass eine größere Flammenlänge und eine gleichmäßigere Wärmeleistung über die Flammenlänge erzeugt werden. Im Gegensatz zum Verlängern einer Flamme durch Erhöhung der Menge und/oder Geschwindigkeit aller an der Verbrennung teilnehmenden Stoffe wird die Wärmebelastung des Ofens erfindungsgemäß nicht lokal erhöht. Durch die hier vorgeschlagene Brennervorrichtung wird also eine langgestreckte Flamme erzeugt, die bei gleicher oder erhöhter Wärmeleistung geringere Temperaturunterschiede erzeugt. Gleichzeitig wird auch die Erzeugung von Stickoxiden verringert, da von außen oder durch Verunreinigungen der zugeführten Gase eindringender Stickstoff weniger häufig oxidiert wird, wenn weniger bis keine lokalen Temperaturspitzen auftreten. Insbesondere wird die Entstehung von Stickoxiden auf eine Menge reduziert, die zumindest unter dem gesetzlich erlaubten Grenzwert liegt, und insbesondere vernachlässigbar ist.
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Das für die vorliegende Erfindung wichtige Prinzip des Hüllstrahles kann in verschiedenen Formen verwirklicht sein. Einerseits können einzelne Sekundärstrahlen von Hüllstrahlen umgeben sein, die dann gemeinsam wiederum eine Hülle um den inneren Brennstoffstrahl bilden. Es ist andererseits aber auch möglich, insbesondere bei Verwendung von Ringdüsen oder eng ringförmig angeordneten Einzeldüsen, einen ringförmigen Sekundärstrahl zu bilden, der innen und/oder außen jeweils von einem angrenzenden ringförmigen Hüllstrahl umgeben ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners ermöglicht die zweite Zuführung einen ersten Volumenstrom des Oxidationsmittels, der größer oder gleich einem zweiten Volumenstrom des Oxidationsmittels durch die dritte Zuführung ist.
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Es hat sich herausgestellt, dass bereits eine relativ geringe Menge bzw. ein geringer Volumenstrom im Hüllstrahl eine gute abschirmende Wirkung erzeugt und einen größeren Volumenstrom im Sekundärstrahl stabilisieren kann. Durch den größeren Volumenstrom und damit den höheren Impuls des umhüllten Sekundärstrahls, kann die Flamme verlängert werden. Der Sekundärstrahl kann 50 bis 90% des benötigten Oxidationsmittels liefern, vorzugsweise 70 bis 80%.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners sind die zweite Zuführung und die dritte Zuführung über einen gemeinsamen Anschluss an eine Quelle für Oxidationsmittel anschließbar, wobei vorzugsweise die Verteilung auf die zweite Zuführung und die dritte Zuführung aus einem Verteiler innerhalb des Brenners durch Form, Anordnung, Anzahl und Querschnitt von mit dem Verteiler in Verbindung stehenden mindestens einen Sekundärauslass der zweiten Zuführung und dem mindestens einen Kühlstrahlauslass der dritten Zuführung erfolgt. Ventile zur Verteilung sind in diesem Falle nicht erforderlich, nur die Gesamtmenge an der Verteilung zugeführtem Oxidationsmittel wird eingestellt bzw. geregelt.
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Die Quelle für das Oxidationsmittel ist z. B. ein Drucktank, oder unter Umständen auch eine Aufbereitungsanlage für das Oxidationsmittel. Über den gemeinsamen Anschluss wird das Oxidationsmittel bereitgestellt.
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Vorteilhafter Weise ist dieser gemeinsame Anschluss über ein ebenfalls gemeinsames Ventil steuer- und regelbar und somit die Menge an Oxidationsmittel für die zweite und dritte Zuführung und gegebenenfalls den Primärauslass steuer- und regelbar. Vorzugsweise wird die Verteilung mittels eines Verteilers erreicht. Insbesondere befindet sich der Verteiler innerhalb des Brenners. Das heißt, dass der Brenner als Baueinheit zum Betrieb lediglich mit einem Brennstoffzufuhranschluss und einem Oxidationsmittelzufuhranschluss verbunden werden muss. Die Geschwindigkeiten und ggf. Volumenströme werden durch Form, Anordnung, Anzahl und Querschnitt des mindestens einen Sekundärauslasses und des mindestens einen Hüllstrahlauslasses im Zusammenspiel mit dem angelegten Druck erzeugt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners weist die zweite Zuführung eine Mehrzahl von Sekundärauslässen auf, wobei die Sekundärauslässe die erste Zuführung umgeben. Sie bilden dabei eine Art Kranz um die erste Zuführung. Je nach Anwendung kann dieser Kranz von der Kreisform abweichen und/oder die Abstände zwischen den Sekundärauslässen und/oder deren Durchmesser können unterschiedlich sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners weist die dritte Zuführung eine Mehrzahl von Hüllstrahlauslässen auf, wobei zumindest ein Teil der Hüllstrahlauslässe jeweils einen Sekundärauslass umgibt, vorzugsweise nach Art eines Kranzes. Auch hier kann je nach Anwendung dieser Kranz von der Kreisform abweichen und/oder die Abstände zwischen den Hüllstrahlauslässen und/oder deren Durchmesser können unterschiedlich sein. Jedenfalls wird so eine möglichst vollständige Ummantelung des jeweiligen Sekundärstrahls ermöglicht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners weist die dritte Zuführung eine Mehrzahl von Hüllstrahlauslässen auf, wobei vorzugsweise die Hüllstrahlauslässe die zweite Zuführung insgesamt umgeben. Hierbei ist insbesondere eingeschlossen, dass die zweite Zuführung mit einer Mehrzahl von Sekundärauslässen bereits einen Kranz formt und dieser Kranz auf der Innen- und/oder auf der Außenseite mit einer Mehrzahl von Hüllstrahlauslässen umgeben ist. Diese Form ist eine Annäherung an die ebenfalls mögliche, oben bereits erwähnte Verwendung von im Wesentlichen konzentrischen Ringspaltdüsen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Brenner mindestens eine Düseneinheit auf, wobei die zweite Zuführung und die dritte Zuführung in dem Brenner verlaufen und mindestens jeweils ein Sekundärauslass und alle diesen umgebenden Hüllstrahlauslässe in einer gemeinsamen Düseneinheit angeordnet sind. Dabei ist die Düseneinheit bevorzugt auswechselbar, insbesondere mit einem Außengewinde einschraubbar, ausgebildet. Für eine Reinigung der Auslässe des Brenners ist es besonders vorteilhaft, wenn keine Bauteile oder Düsenenden in den Brennraum vorstehen. Dies wird erfindungsgemäß durch eine im Wesentlichen ebene Vorderseite der Düseneinheit erreicht.
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Im Rahmen der Erfindung wird auch ein Verfahren zum Betreiben eines Brenners vorgeschlagen, insbesondere eines Brenners wie oben beschrieben, zur Erzeugung einer Flamme in einem Brennraum, wobei
- – Brennstoff über eine erste Zuführung in Form eines Brennstoffstrahls in den Brennraum eingedüst wird,
- – ein Oxidationsmittel, vorzugsweise Sauerstoff, über mindestens einen Sekundärauslass als mindestens ein Sekundärstrahl mit einer Sekundärgeschwindigkeit und mindestens einen Hüllstrahlauslass als mindestens ein Hüllstrahl mit einer Hüllstrahlgeschwindigkeit in den Brennraum eingedüst wird, und
- – das aus dem mindestens einen Sekundärauslass austretende Oxidationsmittel von dem aus dem mindestens einen Hüllstrahlauslass austretenden Oxidationsmittel nach Art eines Mantelstrahls im Wesentlichen umhüllt wird.
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Das erfindungsgemäße Prinzip, Oxidationsmittel in ummantelten Strahlen in einen Brennraum einzubringen, erlaubt eine größere Flammenlänge und bewirkt eine gleichmäßigere Verbrennung.
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Bevorzugt wird das Oxidationsmittel in Form von zwei oder mehr Sekundärstrahlen eingedüst, die den Brennstoffstrahl umgeben, wobei jeder Sekundärstrahl von zwei oder mehr Hüllstrahlen eingehüllt wird.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Sekundärstrahlen den Brennstoffstrahl ringförmig umgeben und von diesem durch ebenfalls ringförmig angeordnete Hüllstrahlen getrennt und/oder außen von Hüllstrahlen umgeben werden.
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Eine günstige Betriebsweise ergibt sich, wenn die Sekundärstrahlen mindestens gleich viel Oxidationsmittel zuführen wie die Hüllstrahlen, vorzugsweise sogar 50 bis 90% der Gesamtmenge an benötigtem Oxidationsmittels, insbesondere 70 bis 80%. Bevorzugt wird aber reiner Sauerstoff eingesetzt, um die Menge an thermischem Ballast gering zu halten.
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Die Hauptaufgabe des Hüllstrahls ist es, die Einflüsse auf den Sekundärstrahl durch die Ofenumgebung über eine möglichst lange Strecke gering zu halten. Dadurch wird z. B. erreicht, dass der Sekundärstrahl von Turbulenzen weitgehend unberührt bleibt und auch eine Durchmischung mit dem Brennstoffstrahl auf eine längere Distanz gestreckt wird. Dadurch wird insbesondere die Flamme, die beim erfindungsgemäßen Betreiben des Brenners erzeugt wird, besonders lang. Auch wird ihre Wärmeleistung wie bereits oben beschrieben pro Flammenabschnitt geringer, jedoch über die Gesamtlänge der Flamme mindestens gleichbleibend mit einer konventionellen Flamme. Aufgrund der geringeren Häufigkeit von lokalen thermischen Spitzen gegenüber dem Betrieb eines Brenners in konventioneller Weise, sinkt die Häufigkeit der Bildung von Stickoxiden.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Die Figuren sind schematisch und benennen gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen. Es zeigen:
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1 schematisch einen erfindungsgemäßen Brenner in Seitenansicht,
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2 schematisch einen erfindungsgemäßen Brenner in. Vorderansicht,
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3 eine teilweise geschnittene schematische Seitenansicht eines Ofens mit einem erfindungsgemäßen Brenner im Betrieb,
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4 eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners in einem schematischen seitlichen Schnitt, und
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5 eine Vorderansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brenners.
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In 1 wird ein Brenner 1 schematisch in Seitenansicht gezeigt. Eine erste zentrale Zuführung 2 ist zwischen einer Mehrzahl von zweiten Zuführungen 3, von denen zur Vereinfachung nur zwei dargestellt sind, angeordnet. Die zweiten Zuführungen 3 enden in Sekundärauslässen 6. Die zweiten Zuführungen 3 sind von einer Mehrzahl von dritten Zuführungen 4 umgeben, die in Hüllstrahlauslässen 7 enden, die wiederum die Sekundärauslässe 6 umgeben. In dieser dargestellten Ausführungsform des Brenners 1 werden die erste Zuführung 2, die zweiten Zuführungen 3 sowie die dritten Zuführungen 4 jeweils mit getrennten Ventilen 30 beschaltet, was schematisch angedeutet ist. Andere Ausführungsformen werden weiter unten beschrieben.
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2 zeigt schematisch eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßert Brenners 1, der für den Betrieb mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist, wobei die jeweiligen Auslässe als Kreisringe ausgebildet sind. Zentral im erfindungsgemäßen Brenner 1 ist ein Primärauslass 5 für Oxidationsmittel, insbesondere Sauerstoff, gezeigt, der sich in diesem Beispiel innerhalb der ersten Zuführung 2 befindet, was eine typische und an sich bekannte Ausführung zur Stabilisierung einer Flamme ist. Die erste Zuführung 2 wiederum ist mittig zur zweiten Zuführung 3 angeordnet, die wiederum beidseitig von einer dritten Zuführung 4 umgeben ist. Dies bewirkt, das ein Sekundärstrahl, der senkrecht aus der Zeichnungsebene aus dem gezeigten Sekundärauslass 6 austritt, sowohl innenseitig als auch außenseitig von einem Hüllstrahl umgeben wird, der aus dem Hüllstrahlauslass 7 austritt.
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In 3 wird eine teilweise geschnittene schematische Seitenansicht eines Ofens 19 mit einem erfindungsgemäßen Brenner 1 gezeigt. Dieser Brenner 1 ist an einem ersten Ende 20 des Ofens 19 angeordnet und zu einem Brennraum 35 hin gerichtet. Wie durch Pfeile angedeutet ist, wird der Brenner 1 mit Brennstoff 31 und mit Oxidationsmittel 32 versorgt. Mittig in dem Brenner 1 ist eine erste Zuführung 2 für Brennstoff 31 angeordnet, zu der im Allgemeinen ein zentraler Primärauslass 5 für Oxidationsmittel 32 gehört, der zur Flammenstabilisierung in einem gewissen Abstand von dem Brenner 1 dient. Durch Sekundärauslässe 6, kann weiteres Oxidationsmittel 32 in den Brennraum 35 eingedüst werden. Im Betrieb bildet sich so ein Brennstoffstrahl 34, der zusammen mit dem Oxidationsmittel aus dem Primärauslass 5 und dem Oxidationsmittel aus den Sekundärauslässen 6 eine Flamme 25 bilden kann. Durch den Primärauslass wird dabei eine Flammwurzel 33 erzeugt, die die Flamme (zumindest) thermisch von der Struktur des Brenners 1 trennt. Erfindungsgemäß sind um die Sekundärauslässe 6 herum Hüllstrahlauslässe 7 angeordnet, die durch dritte Zuführungen 4 ebenfalls mit Oxidationsmittel 32 ersorgt werden. Dabei sind die Geometrien bzw. der Druck und andere Parameter so gewählt, dass das Oxidationsmittel 32 aus den Sekundärauslässen 6 mit einer ersten Geschwindigkeit v1 austritt, die gleich oder größer als eine zweite Geschwindigkeit v2 ist, mit der das Oxidationsmittel 32 aus den Hüllstrahlauslässen 7 austritt. Dadurch bildet sich ein Sekundärstrahl 15 aus Oxidationsmittel 32, der von einem ihn umgebenden Hüllstrahl 16 stabilisiert wird. Insbesondere, wenn der Hüllstrahl 16 eine zweite Geschwindigkeit v2 zwischen der ersten Geschwindigkeit v1 des Sekundärstrahles 15 und der Geschwindigkeit der Umgebung hat, ergibt sich eine verlängerte Flamme 25 bei gleichmäßiger Verbrennung des Brennstoffstrahls 35.
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In der schematischen Darstellung der 3 werden der Sekundärstrahl 15 und der Hüllstrahl 16 jeweils aus einer Mehrzahl an Sekundärstrahlkomponenten 17 bzw. Hüllstrahlkomponenten 18 gebildet. Im Zentrum der Sekundärstrahlkomponenten 17 und Hüllstrahlkomponenten 18 befindet sich die Flamme 25. Neben dem Primärauslass 5 ist ein Detektor 29 gezeigt, der bspw. durch Strahlungsmessung, z. B. der Infrarot- oder Ultraviolett-Strahlung, die Flammentemperatur misst und somit Regelungswerte für den Betrieb des Brenners 1 liefern kann. Auch ist hier rein schematisch gezeigt, dass ein erster Volumenstrom 8, aus dem die Sekundärstrahlkomponenten 17 gebildet werden, größer ist als ein zweiter Volumenstrom 9, aus dem die Hüllstrahlkomponenten 18 gebildet werden.
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Zwischen dem ersten Ende 20 und dem zweiten Ende 21 des Ofens 19 ist eine geometrische Achse 22 angedeutet, an der entlang sich etwa die Flamme 25 ausbildet. Bei typischen Öfen ist die Ausrichtung der Flamme in etwa horizontal, was durch einen Pfeil für das Schwerefeld der Erde 28 veranschaulicht ist. Im Bereich unter der Achse 22, der als naher Bereich 26 bezeichnet wird, befindet sich eine Metallschmelze 23 mit einer Oberfläche 24. Oberhalb der Achse befindet sich ein entfernter Bereich 27 des Brennraums 35. Von der Flamme 25 findet ein Wärmeaustausch in die Metallschmelze 23 durch Wärmestrahlung und durch Konvektion im nahen Bereich 26 statt.
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In 4 ist schematisch im Längsschnitt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenners 1, ähnlich dem in 3 dargestellten, gezeigt. Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in 3 versehen. Bei diesem Brenner 1 werden der Sekundärauslass 6 und der Hüllstrahlauslass 7 sowie der Primärauslass 5 über eine gemeinsame Leitung 13 durch einen gemeinsamen Anschluss 11 aus einer gemeinsamen Quelle 10 mit dem Oxidationsmittel 32 versorgt. Die gemeinsame Leitung 13 ist über einen Verteiler 12 mit dem gemeinsamen Anschluss 11 verbunden. Die Strahlform, Menge und Geschwindigkeit von Sekundärstrahl 15 und Hüllstrahl 16 (beide hier nicht gezeigt) wird durch die Anzahl, den Querschnitt und die Lage der zweiten Zuleitung 3 und der dritten Zuleitung 4 bestimmt. Der Brennstoff wird über die erste Zuleitung 2 zugeführt, in der zentral der Primärauslass 5 für Oxidationsmittel angeordnet ist. Die Vorderseite 37 jeder Düseneinheit 14 ist vorzugsweise eben gestaltet, was beim Reinigen Vorteile hat, da vorstehende Düsen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, leichter beschädigt oder verformt werden.
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In 5 wird ein Brenner 1, wie er z. B. in 3 oder 4 gezeigt ist, in Vorderansicht gezeigt, wobei eine Ausführung mit vier Sekundärauslässen 6 beispielhaft gewählt wurde. Eine größere Zahl ist jedoch möglich. Die Sekundärauslässe 6 sind wie ein Kranz um die erste Zuführung 2 und den Primärauslass 5 angeordnet. Jeder Sekundärauslass 6 ist von Hüllstrahlauslässen 7 umgeben. Je ein Sekundärauslass 6 mit den ihn umgebenden Hüllstrahlauslässen 7 ist in einer kreisförmigen Düseneinheit 14 angeordnet, die mit einem Außengewinde in den Brenner 1 eingeschraubt ist.
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Grundsätzlich ist es auch möglich, größere auswechselbare Düseneinheiten zu verwenden, die mehrere Gruppen von Sekundärauslässen 6 und Hüllstrahlauslässen 7 aufweisen. Solche Düseneinheiten 14 können in unterschiedlichen Ausbildungen zur Umrüstung von Brennern für verschiedene Anwendungen dienen oder bei Verschleiß leicht ausgewechselt werden.
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Die Erfindung löst zumindest teilweise die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten technischen Probleme. Insbesondere ist eine gleichmäßige Wärmeleistung über eine verlängerte Strecke möglich. Außerdem wird die Entstehung von thermischen Spitzen sowohl in der Flamme als auch im brennernahen Ofenbereich vermieden und die Geräuschentstehung durch eine weniger turbulente Flamme reduziert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brenner
- 2
- erste Zuführung
- 3
- zweite Zuführung
- 4
- dritte Zuführung
- 5
- Primärauslass
- 6
- Sekundärauslass
- 7
- Hüllstrahlauslass
- 8
- erster Volumenstrom
- 9
- zweiter Volumenstrom
- 10
- Quelle
- 11
- gemeinsamer Anschluss
- 12
- Verteiler
- 13
- gemeinsame Leitung
- 14
- Düseneinheit
- 15
- Sekundärstrahl
- 16
- Hüllstrahl
- 17
- Sekundärstrahlkomponente
- 18
- Hüllstrahlkomponente
- 19
- Ofen
- 20
- erstes Ende
- 21
- zweites Ende
- 22
- Achse
- 23
- Metallschmelze
- 24
- Oberfläche
- 25
- Flamme
- 26
- naher Bereich
- 27
- entfernter Bereich
- 28
- Schwerefeld der Erde
- 29
- Detektor
- 30
- Ventil
- 31
- Brennstoff
- 32
- Oxidationsmittel
- 33
- Flammwurzel
- 34
- Brennstoffstrahl
- 35
- Brennraum
- 36
- Außengewinde
- 37
- Vorderseite
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2004037620 B4 [0002]
- EP 2166284 A2 [0003]
- EP 0038257 A1 [0004]
- EP 0663562 A2 [0004]