DE1626358C - Gas-Parallelstrombrenner - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sieh auf einen Gas-Parallelsiiumliienner zur Verwendung am Hingang von Heizrohren, deren Lär.ge ein Vielfaelies des Durchmessers beträgt. Solehe Heizrohre dienen vorwiegend zur indirekten Erwärmung von Flüssigkeiten, Gasen oder Wirbelschichten. Die hei der Verbrennung des llei/guses frei werdende Wärme wird im Rohrinneren durch Strahlung unil Leitung auf die Rohrwand übertragen und von der Rohraullenseile vor allem konvekliv, aber auch durch Strahlung an das zu erwärinende Ciui abgegeben. Dabei werden solche Rohre je nach der Art der Wärmeabgabe als Konvektionsrolire oder als Strahlungsheizrolire bezeichnet.

Während die Länge der Konvektionsheizrohre etwa das Hundertfache des Rohrdurchmessers und mehr betrauen kann, sind Strahllingsheizrohre meist kürzer, weil die Rchrwandtemperalur nicht über tinhegrenzle Kohrliinget: hinaus so hoch gehalten werden kann, daß eine günstige Wärmeabslrahlung erreicht wird. Sehr hohen Temperaturen hält außerdem tier Rohrwerkstoff auf die Dauer nicht stand. Ferner ist bei gleichem Rohrdurchmesser an langen Konvektionsheizrohren der mögliche lleizgasdurchsatz. HiCiNt um ein Vielfaches höher als hei verhältnismäßig kurzen Struhliingsheizroliren.

Hei jeder Verbrennung können von der Llanime angeregte Schwingungen auftreten. Diese Schwingungen treten je nach der Art und dem Volumen des Verbrennungsraumes einschließlich der Abgasleitungen, ti. h. tier anregbaren Gassäule, mein oder weniger slark in Erscheinung. Nur bei sein, speziellen Brcnners>steinen sind Schwingungen erwünscht und werden dann ausgenutzt, z. U. bei dem sogenannten Schmidt-Rohr /um Ansaugen der Ilrennsiiffe und zum Ausstoßen der .Abgase. Meist sind diese Schwingungen alicr \on Nachteil, weil sie die Mischung der llrenngase und die Verbrennung selbst beeinflussen um! ferner häufig die l'rsaehe für sehr slopMide Geräusche sind.

Hei (Lt Verbrennung in ei ium engen Heizrohr wird die Rohrfüllung \on der I lamme besonder., to leicht und schnell zu Schwingungen angeregt, so daß sie in der Erregerfrei|iieiiz in Resonanz schwingt. Je langer das Heizrohr i\|, desto iiiedrigfrci|uentcr u:id tlii 11111 störender ist die Resonan/schwingung. weil sie die Hainine leicht zum Abreißen bringt. Steigt der Gasdurchsatz und damit die in der Flamme umgesetzte F.nergie, dann werden die Schwingungen stärker I in Heizrohr mit z. B. einem Innendurchmesser von lOOmni und einer Länge von IO in ist etwa bis zu einem I .cuclilgasdiirchsalz. von 15 Nm¹ Ii befriedigend zu beireiben. Steigert man den Gasdurchsatz darüber hinaus, so nehmen die aus Schwingungen resultierenden Gei,Mische stark zu. die Verbrennung u ird iinruhi;¹. und clic Ilamme beginnt bei einem Gasdurchsatz Vi)Ii etwa 25 Nm¹Ii sich vom Urennermund abzuheben und instabil zu brennen.

Is ist demzufolge die Aufgabe zu lö;en. in den laiM'cn K'invektionshei/rohron eine störungsfreie Verbrennung großer Gasmengcn cr/iclcn zu können.

An Konvektioiisheizrohren ergeben sich hierbei Go weitere Schwierigkeilen, weil bei, ihnen die Rohruaiullemperalur niedriger ist als bei Strahlung.-)' heizrohren. Die meist über 700 ' C heiße Wand der Siiahliingsliei/rnlire wirkt stabilisierend auf die l'lamme. Aus diesem Grund ist ein Heizrohr mit niedrigerer Wandlemperatui immer lauter als ein Rohr mit einer Wandtcnipcralur von

Es sind bereits Vorrichtungen zur Verbrennung von Gasen in Heizrohren bekannt, bei welchen die Flamuienlänge, z. 15. von aullen, verändert werden kann.

Ferner sind Gasbrenner und Sirahlheizrohre mit düsenfürmigen Iingstellen entweder im Gaszufiihrungskanal oder in den gegebenenfalls mehrteiligen Luflzufulmingsrohren bekannt. Diese Gngstellen sollen durch die zeitweise Beschleunigung bzw. Druckabsenkung die Mischung der ßrennmiitel verbessern oder aber, sofern sie im Gasstrom unterhalb der Gasdüse angeordnet sind, eine größere Unabhängigkeit der Mischung von Druck- und Mengenschwankungen auf der Zuführungsseite der Brcnnmittel Gas und Luft herbeiführen helfen. In jeder Ausführung ergeben Brenner mit solcherart plazierten, düscnarligen Engstcllen eine kurze Flamn.e mit intensiver örtlicher Wärmeentwicklung vor der Mündung, die ihre Verwendung am Eingang von langen Heizrohren verbietet, weil die Heizrohre im thermisch überbeanspruchten Bereich oft ausgewechselt werden müssen.

So ist z. B: aus der USA.-Patentschrift 2 903 051 bereits ein ölnrenner aus drei im wesentlichen koaxial zusammengefügte:! Rotiren bekannt, in dessen Zufüiiriingssystcm für die Verbrennungsluft unterhalb dcr"Zündstelle eine Engstelle zur Strömungsbeeinflussung vorhängen ist. — Aus dem Buch von Prof. Becher, »Der Gasbrenner«, VEB-Verlag Technik, Berlin, !957, sind ferner nach den Tafeln LT) und 142 aus koaxial ineinandergeschobenen Rohren aufgebaute Hrennerkonstruktior.cn bekannt. Der Brenner nach der Tafel 142 weist im Gasführungssyslem zwischen der Gasdüse und dem Brcnncrmund eine Mischstrecke mil Engstelic auf, vor der gleichzeitig durch Öffnungen zwischen dem allgemeinen Luflführiingskanal und dieser Misehstreckc noch vor der Zündstelle eine teilweise Luft"ormischung V( ryesehen ist.

Die vorstehend genannte Aufgabe zur Verbesserung eines Gas-Parallelstrombrcnners für lange Konvektionsheizrohre wird nun dadurch gelost, daß die im wesentlichen nicht vorgemischten Prennmittcl obcilialb der Zündstelle in den getrennten Zufiilirungssysteincn zunächst einer Erhöhung und dann einer Verlangsaiming der Gcsjhwindigkeit untc-worfcn werden, um die lange Flamme zu stabilisieren und von kleinen Druck- und Mcngcnscliwankiingcn auf der Zufulminusscilc unabhängig zu machen, und zwar dadurch, daß 'las Innenrohr die Zuleitung fiii die an seinem inneren, annäncrnd bis zur Zündstelle reichenden Ende angeordneten Zündmittel aufnimmt dall in dem der Zuführung des Heizgases dienender iiiivrcn Κιμ'Μ,ιιιιπ zwischen dem lnnenrohr und ilen Miltelrohr cine I ngstellc in größerem Abstand vor der Zündstein vorhanden ist und daß in dem tie Zuführung der Vcibrcnnuiigsluft dienenden äußeret Ringraum zwischen dem Mittclrchr und dem Heiz rohr in kleinerem Abstand von der Zündstclle eiiu weitere. Eiigstelle vorhanden ist, wobei die letzt genannte Engsteüe von der Zündslclle einen Mindest abstand vom Zwei- bis Dreifachen des Durchmesser: ties I lei/rolires hat.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung situ ferner in dem axialen Bereich zwischen den beidci Engstelkn im Miltelrohr mehrere Bohrungen zur lcil weisen Vormischung der Brcnnmittel angcordnel Hierdurch ist es möglich, einen Teil der Vcr

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brennungslufl, ζ. ü. 5 his 35 Volumprozent, dem Hei/gas vor dessen Eintritt in die Verbreiinungszonc zuzuleiten und mit dem Hei/gas zu vermischen und auf tlie.se Weise ebenfalls die llammeiilänge zu beeinflussen.

Zur Erhöhung des Wärmeübergangs kann ferner 'die Geschwindigkeit der Ahgase hinler der Verbrennungszone kurz/eilig erhöht werden.

Zur Flammenüberwachung ist im Brennerraum ein beweglich eingerichtetes Thermoelement ungeordnet.

Ein Ausführungsheispiel des erfindungsgemäßen Gas-Parallelstrombrenners ist in der Zeichnung dargestellt untl im folgenden näher beschrieben. Es zeigt die

F i g. t einen Brenner für ein Heizrohr mit einem Innendurchmesser von beispielsweise 100 mm, die

1' i g. 2 einen Ausschnitt aus dem mittleren Teil des Heizrohres und die

F i g. 3 eine Brenner-Heizrohr-Hinheit mit einem Innendurchmesser von IUO mm für einen Wirbclofen.

Der in ein langes Heizrohr einzusteckende Brenner tür Verbrennung von Heizgasen ;nit Luft besteht in jeder Ausführung aus einem Brennkörper 1 mit einem Brennerflansch 2, einem Luftstutzen 3 mit einem Mansch 4 und einem Brennerboden 5 (Fig. 1).

Mil dem Brcnncrflansch 2 ist ein Heizrohrflansch 6 vcrschniulil, der ein Heizrohr 7 tragt. Im Ürennerboden 5 sind konzentrisch incinanderliegend ein Millelrohr8 und ein Innenn hr9 befestigt. Das rvlitlclrohr 8 hat eine konische Erweiterung 10, an die sich ein mittleres Endstück 11 mit einem BrenncrliHind 12 anschließt. Den Teilen 10 und 11 entsprechend hat auch das Innenrohr 9 eine konische !Erweiterung 13 mit einem anschließenden inneren Endstück 14, das am Ende mit einem Kcgelstück 15 abgeschlossen ist. In einer Bohrung 16 des kegelstückes 15 ist eine Glühkerze 17 angeordnet.

Der äußere Kingraum 18 zwischen dem Heizrohr 7 und dem Miitclrohr8 dient zur Zufuhr der Luft. Das Gas wird über den mittleren Ringraum 19 zügeführt. Der innere Raum 20 des Rohres 9 dient zur Aufnahme von Stromleitern zur Zufuhr des Stromes für tlic Glühkerze 17. Durch ein Schauglas 21 kann der äußere Kingraum 18 mit der Flamme am Brcnnerimind 12 beobachtet werden. Zur Erzeugung von längsteilen sind auf dem Mitteln hr 8 zwischen der Erweiterung 10 und dem Brennerniund 12 sowie auf dem inncnrohr 9 in der Nähe der konischen Erweiterung 13 je ein Verengungskörper 22 und 23 angeordnet. Ein Thermoelement 24 client zui Messung der Temperatur innerhalb der Bcruhigunijsstreckc 32.

Die Länge der einzelnen Teile des Miltdrohrcs 8 und des Innenrohres 9 ist so gewählt, daß sich, wenn der Brenner in das Heizrohr 7 eingeschoben und der Brenncrflansch 2 mit dem Hcizrohrflansch 6 verblinden ist, der Brennermund 12 und damit der Beginn der Verbrennung an derjenigen Stelle im Heizrohr 7 befindet, an der die Wärmeentwicklung beginnen soll.

Gas und Luft werden getrennt durch die Slutzcn 25 und 3 in die als Rinukanälc dienenden Zwischenräume 19 tiiiJ 18 geführt, können sich am Brcnncmuind 12 mischen und verbrennen, sobald sie von der Glühkerze 17 gezündet werden. Die Zuleitung des Ziindstrcmcs '.-rfolgt durch das im Orenncrboden 5 offene Inncnrohr 9.

An der konischer* Erweiterung 10 des Mittelrohrcs 8 ist es möglich, durch Bohrungen 26 einen Teil der Verbrennungsluft aus dem Zwischenraum 18 dem Cms beizumischen. Das axial verschiebbare Thermoelement 24 am Brenneimund 12, des-en Zuleitung bei 27 nach außen geführt wird, dient der Flammenüberwachung.

Die Stabilisierung der Verbrennung wird dadurch erreicht, daß ein·:: Ausbreitung der Gasschwingungen aus dem Verbrennungsraum 28 in die mil Luft und Gas geiülli-n Stutzen 3 und 25 verhindert wird. Versuche haben gezeigt, daß ein Mitschwingen der Gassäulen in den Zuleitungsrohren die Mischung und Zündung sehr stört und dadurch den Brenner zum Abreißen bringen kann. Diese Gefahr ist um so größer, je langer die Zuleitungen sind. d. h. je weiter entfernt von der Zündstelle das nächste Regulicrorgan sitzt. Ein sicherer Parallelbetrieb mehrerer Ileizrohreinheilen mit nur einer gemeinsamen Regulierung ist wegen der hierdurch bedingten langen Zuleitungen und der gegen:., itigen Beeinflussung erst bei Anwendung der erfindur.gsgemäßen Merkmale möglich.

Die Ausbreitung der Brennraumschwinjungen erfolgt mit Schallgeschwindigkeit. Ihr Übergreifen stromaufwärts auf die Ziileitungsstutzcn 3 und 25 wird dadurch vermieden, daß das Brenngas und die Luft vo^r der Zündung je eine Fngslcllc 29 und 30 mit hoher Geschwindigkeit passieren müssen Stromabwärts von jeder Engstelle folgt je eine Bcruhigungssirecke 31 und 32, deren Länge mindesten.'- dem Zwei- bis Dreifachen des größten Heizrohrdurchniesscis entspricht. Hier werden die Gase wieder auf Normalgeschwindigkeii gebracht, bevor sie dann am Brennerniund 12 miteinander vermischt und gezündet werden.

Zwischen den Engstellen 29 und 30 und der Zündstclle, dem Brennerniund 12. sollen möglichst nur kurze Strecken 31 und 32 liegen. Wird der Abstand zwischen Engstelle und Brennermund vergrößert, so nimmt die Wirkung der Engsiclle ab. Umgekehrt sullen die Engstellcn nicht zu nahe an dem als Zündstelle wirkenden Brennerniund \1 liegen, weil sonst durch die hohe Turbulenz der Gase am Brenncrmund eine zu starke Durchmischung und damit eine spontane Verbrennungsreaktion erfolgt, die hier wegen der Gefahr des Durchbrennens des Heizrohres nicht erwünscht is¹. Die Geschwindigkeit in den Fngstcllen 29 und 30 nuß so groß sein wie die .Schallgeschwindigkeit im cntsprcuicndcn Gas, i'in eine vollständige Dämpfung der Schwingungen zu erzielen.

Fs wurde aber festgestellt, daß die Dämpfung schon bei einer Geschwindigkeit von etwa einem Drittel der Schallgeschwindigkeit ausreichend ist. Dabei kann die Geschwindigkeit von Luft und Brenngas in uen Engstellcn auch unterschiedlich groß sein.

Der crfindungsgemüße Gas-Parallelstrombrcnncr erlaubt es auch ohne Schwierigkeit, einen beliebigen, fest einstellbaren Teil der Verbrennungsluft, bevorzugt 5 bis 35 ⁰O (um noch außerhalb der Ziindgrenzc zu bleiben), dem Gas schon vor der Ziindslcllc als Primärluft beizumischen. Dies gestattet in bekannter Weise, die Länge der Flamme im Heizrohr zu beeinflussen und auf einen für jeden Heizrohrtyp günstigsten Wert einzustellen. Es genügt hierzu, die Engstellcn 29 und 30 im Brenner räumlich so anzuordnen, daß der sich vor ihnen zwaiigläufig aufbauende Druck dazu benutzt werden kann, durch öffnungen

einen Teil der Verbrennungsluft aus dem Zwischenraum 18 in das Gas zu drücken. Dabei kann die Primärlufl (Fig. 1) an der Erweiterung 10 durch Öffnungen, z. B. durch gleichmäßig auf dem Umfang verleihe Bohrungen 26. geführt und danach mit dein Gas aus dem mittleren Zwischenraum 19 gemischt werden, so daß sich in der Beruhigungsstreckc 31 ein Gavl .ufl-Gemisch befindet. Die Luft kann aber auch entsprechend der I· i g. 2 von der Erweiterung 10 her durch Lnftfülmingsrohie 33 bis kurz vor den Brcnncrmund 12 geleitet und hier dem Gas zugemischt werden. Beide Verfahren sind möglich und bringen u. a. auch den Vorteil, daß der Brenner besser zündet

Die F i g. 3 zeigt die Hrenncr-Heizrohr-Einheit eines Wirbelofciis 34. die dazu dient, eine Wirbelschicht 35 auf einer konstanten Temperatur von z. B. 4(1(1 C /u halten. Gas- und I.uftslutzcn 25 und 3 am Brennelkörper 1 liegen außerhalb des Ofens 34, die Züiulslelle befindet sich etwa in Höhe eines Siebbodens 36. Die Abgase werden in einem Abgasrohr 37 übe 1 einen nicht dargestellten Rekuperator, in welchem die Abgaswärme ausgenutzt wird, abgeführt.

Wird in das Abgasrohr 37 eine Verengung, z. B. in Form einer Normdüse mit einer freien Durchlriltsflache Vi 11 beispielsweise einem Viertel des Abgasrohrt|iicrschnitlcs eingebaut, so lassen sich die Verhri/nnungssehwingungcn mil dieser Anordnung zusätzlich dämpfen. Beispielsweise hat ein Heizrohr mit einem Innendurchmesser von 100 mm bei einem Gasdurchsatz von 60 NnV h am Abgasrohr einen Geräuschpegel von 114 db: nach Einbau einer Normalblende mit einem lichten Durchmesser von 50 mm betrug die Lautstärke nur noch 101 db.

Werden mehrere Einzclbrcnncr (Fig. 3). z.B. 1 (S Heizrohre mit einem Innendurchmesser von 100 mm. in einen Ofen eingebaut und parallel geschaltet, wobei also die Konstanthaltung der Temperatur des Ofens durch Regelung des Ventils für die Gesamtgnsmcnge erfolgt, so ist zu erwarten, daß die Einzelbrenner sich schon beim Zünden oder während des Betriebes gegenseitig störend beeinflussen und zum Abheben bringen. Leitet man aber die Verbrennungsgase in jedem Einzclbrenncr durch die crfinthmp'-aemäß vorgeschlagenen Engstellen, so können die !'ι F.inzelbrcnner mit je einer Rohrliinne von 22 m einzeln oiler gleichzeitig gezündet, je mit bis 7u 100 Nm^:1 h Leuchtgasdurchsalz betrieben und ein/ein betriebssicher überwacht werden. Gezündet wird mit einer Niederspannungs-Glühkcrze 17 von 12 Volt Spannung; zur Überwachung dient das Thermoelement 24 (Fig. 1), das in die Flamme hineinragt und bei Ausfall der Flamme die Gaszufuhr zum Brenner abschaltet.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Gas-Parallelstrombrcnncr zur Verwendung am Eingang von Heizrohren, deren Länge ein Vielfaches des Durchmessers betrügt, bestehend aus drei ineinandergeschobenen, koaxial zusammengefügten Rohren für im wesentlichen getrennte Zuführung des Heizgases bzw. eines Heizgasgemisches und der Verbrennungsluft bis zur ZündMcllc bzw. zur Zündvorrichtung, wobei in den Zuführungssvstcmcn längsteilen zur Strömungsbeeinflussung des Heizgases und oder Verbrennungsluft angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (9) die Zuleitung für die an seinem inneren, annähernd bis zur /ündslcllc reichenden Fnde angeordneten Zündmittel (17) aufnimmt, daß in dem der Zuführung des Heizgases dienenden inneren Ringraurn (19) zwischen dem Innenrohr (9) und dem M'llclrohr (8) eine Fngstcllc (29) in grölkrem Abstand von der Ziindstellc (12) vorhanden ist, und daß in dem der Zuführung der Verbrennungsluft dienenden äußeren Ringraum (18) /wischen dem Millelrohr (8) und dem Heizrohr (7) in kleinerem Abstand von der Ziindstellc (12) eine weitere lingstclle (30) vorhanden ist, wobei die letztgenannte Engstelle (30) von der Zündstcllo (12) einen Mindeslabstand vom Zwei- bis Dreifachen des Durchmessers des Heizrohres (7) hai.

2. Gas-Parallclslrombrcnncr nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß in dem axialen Bereich zwischen den beiden Engstcllen (29 und 3<V im Mittclrohr (8) mehrere Bohrungen (26) zm teilweisen Vormischung der Brennmittcl angeordnet sind.

3. Gas-Parallelstrombrcnncr nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, da Γ das Mittclrohr (8) und das Innenrohr(9) jewcil· vor ihrer mit vergrößertem Durchmesser ausge führten Brcnncrmündiing konisch aufgcwcuv sind.

4. Gas-Parallelstrombrcnncr nach einem de

Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, si.-.: zur Flammenüberwachung am Brennermund (12 ein beweglich eingerichtetes Thermoelement (2-1 angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zcichnunccn