DE1801925C3 - Brenner für flüssige und gasförmige Brennstoffe mit Kapillarwirkung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Brenner entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es ist bekannt, flüssige Brennstoffe für Heizzwecke in Dochtbrennern zu verbrennen, wobei der Docht den Brennstoff aus einem unterhalb der Verbrennungszone angeordneten Vorratsbehälter zum Boden der Verbrennungszone transportiert. Mit diesen Brennern wird eine gute Verbrennung mit geräuschloser blauer Flamme erzielt. Einer derartigen Dochtbrenner der eingangs genannten Art beschreibt beispielsweise die FR-PS 764446.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner der genannten Art so auszubilden, daß nicht nur eine gute Brennstoffübertragung erreicht, sondern gleichzeitig auch die Konstruktion des Brenners vereinfacht wird.

Diese Aufgabe soll durch die im Patentanspruch ί angegebenen Mittel gelöst werden, d. h. indem die Verteilung des Brennstoffes unter der Trennwand frei in den Zwischenräumen zwischen den Verbrennungsluftrohren und dann durch rings um jedes dieser Verbrennungsluftrohre gebildete ringförmige Brennstoffkanäle in der Trennwand hindurch nach oben erfolgt.

Die den Brennstoff durch Kapillarwirkung fördernde Füllung besteht vorzugsweise aus porösem Material und/oder aus die einzelnen Verbrennungsluftrohre jeweils mit Abstand umgebenden unglasiertcn Keramikrohren.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielcn und schcmalischcn Abbildungen beschrieben. Es zeigt

Fig. I perspektivisch teilweise aufgeschnitten einen Brenner gemäß einer bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 2 einen waagerechten Schnitt durch den Bren= ncr nach Fig. 1,

Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch den Brenner nach Fig. 1,

Fig. 4 eine Oberansicht eines Brenners mit Ziindflammcnleitungen, die in der Nähe des Brenncrnindes enden,

Fig. 5 einen senkrechten Schnitt durch den in

Fig, 4 dargestellten Brenner,

Fig. 6 eine Oberansicht eines Brenners, bei dem die Zündflammenleitungen in der Mitte des Brenners enden,

Fig. 7 einen senkrechten Schnitt durch den in Fig. 6 dargestellten Brenner,

Fig. 8 einen senkrechten Schnitt durch einen Brenner für flüssigen Brennstoff, und

Fig. 9 einen Schnitt durch einen in einen Wassererhitzer eingebauten Brenner der in Fig. 1 bis 8 dargestellten Art.

Der in Fig. 1 bis 3 dargestellte Brenner ist ein Gasbrenner mit einer Brennstoffkammer 10, durch die eine Vielzahl von Verbrennungsluftrohren 11 geführt ist. Die Brennstoffkammer ist in einen Brennstoffeinirittsraum 12 und einen Brennstoffaustrittsraum 13 unterteilt, der zur Erhöhung des Widerstandes gegen die Strömung mit einem Pulver (dessen Teilchen nicht aneinander gebunden sind) gefüllt ist. Als Unterlage für diese Füllung dient eine Trennwand 14. Jedes Verbrennungsluftrohr 11 ist durch ein Loch in der Trennwand 14 geführt, und das Loch ist so bemessen, daß ein ringförmiger Brennstoffkanal 15 rings um jedes Verbrennungsluftrohr entsteht (Fig. 1 und 2). Fig. 3 zeigt ferner, daß die Verbrennungsluftrohre 11 gas- und flüssigkeitsdicht in runde Löcher in einer Platte 16 der Lufteintrittszone eingesetzt sind.

Beim Betrieb des Brenners gelangt der Brennstoff durch die Brennstoffzuführungsleitung 17 in den Brennstoffeintrittsraum 12 und strömt durch die Zwischenräume zwischen den Verbrennungsluftrohren 11. Vom Brennstoffeintrittsraum 12 strömt der Brennstoff durch den mit Pulver gefüllten Brennstoffaustrittsraum 13 in die Verbrennungszone. Da die Packung oder Füllung der Strömung des Brenngases einen verhältnismäßig hohen Widerstand und der Zwischenraum des Brennstoffeintrittsraums 12 einen verhältnismäßig niedrigen Widerstand bietet, begünstigt die Konstruktion eine gleichmäßige Brennstoffzufuhr in die Verbrennungyzone.

Ein Brenner der beschriebenen Art wurde im Laboratorium unter einem 20,3-cm-Kamin erprobt, wobei in getrennten Versuchen Methan und Stadtgas als Brennstoffe verwendet wurden. (Stadtgas hat eine unterschiedliche Zusammensetzung, jedoch enthält es immer einen wesentlichen Wasserstoffanteil von gewöhnlich über 50 Vol.-%.) Der Brenner enthielt 38 Verbrennungsluftrohre 11 von 4,72 mm Außendurchmesser und 4,445 mm Innendurchmesser mit einem dreieckigen Zwischenraum von 0,55 mm Abstand zwischen den Mittelpunkten. Der Brenner hatte eine Baugröße von 45,7 x 25,4 mm und eine Tiefe von 19,05 mm. Im Abstand von 9,5 mm von der Verbrennungszone war er mit der Trennwand 14 versehen. Jedes Verbrennungsrohr 11 war durch ein Loch in der Trennwand 14 geführt. Die Löcher (ausgenommen die Löcher am Rand) hatten einen Durchmesser von 5 mm, d. h. es war ein Ringraum von 0,15 mm vorhanden, wenn die Löcher gleichmäßig waren. Die Löcher am Rand hatten einen Durchmesser von 4,8 mm, d. h. einen Ringraum von 0,04 mm bei gleichmäßiger Ausführung. Diese Beschränkung an den Rändern beseitigte eine Neigung zur fetten Verbrennung an den Rändern der Verbrennungszone. Der Raum zwischen der Trennwand 14 und der Verbrennungszone war mit geschmolzenem Aluminiumoxyd gefüllt, das zu einem Pulver gemahlen war. das eine solche Teilchengröße hatte, daß es ein Sieb einer

Maschenweite von 0,6 bis 1 mm passierte.

Der Brenner war zwar für die Verbrennung von gasförmigen Brennstoffen ausgebildet, jedoch konnte er auch Kerosin verbrennen (unter einem 43,2-cm-Kamin). Die folgenden maximalen Wärmeleistungen (d, h. ohne Flammen, die sich im Falle von Methan und Stadtgas vom Brenner entfernten) wurden erreicht:

Brennstoff Druckabfall, Pa Wärme-

Xuft Brennstoff leistung,

kJ/m²/Stunde

Methan

Stadtgas

Kerosin

1,25
1,25
2,49

49,83
174,62

3.310.712 3.762.782 3.310.712

in

Bei dem im Versuch verwendeten Brenner war der Brennstoffaustrittsraum 13 zur Verbrennungszone hin direkt offen, und der Brennstoff strömte mit der Verbrennungsluft in einer Richtung. Es erwies sich als möglich, die maximale Wärmeleistung, die mit Methan erzielt wurde, zu steigern, indem ein Leitblech (in den Abbildungen nicht dargestellt) eingesetzt wurde, das die Brennstoffströmung in die Luftströmung ablenkte. Das Leitblech bestand aus einer perforierten Platte, die die Oberseite des Brennstoffaustrittsraums 13 bedeckte und die Verbrennungsluftrohre 11 frei ließ. Wenn das Leitblech mit dem Brennstoffaustrittsraum in Berührung gebracht wurde, wurde die maximale Wärmeleistung mit Methan von 3271984 (siehe Tabelle) auf 4089980 so kJ/nr/Stunde gesteigert.

(Die Füllung bestand aus einem »rieselfähigen« Pulver, das jedoch infolge der Form und Größe seiner Teilchen im Brennstoffaustrittsraum 13 blieb, wenn der Brenner auf die Seite gestellt wurde. Es ist möglieh, daß durch die Hitze der Flamme eine teilweise Sinterung durch Hitze eintritt, wodurch eine besondere mechanische Stabilität erzeugt wird.)

Der in Fig. 4 und 5 dargestellte Brenner «1 dem in Fig. 1 bis 3 dargestellten Brenner ähnlich, jedoch war er außerdem mit einer Zündflammenleitung 18 versehen, die sich gabelt und in Austrittsleitungen 18a und 18b endet, die am Rande des gepackten Brennstoffaustrittsraumes 13 unmittelbar über der Trennwand 14 angeordnet sind.

Die Zündflammendüsen liefern etwa 1 bis 2% der maximal verbrauchten Brenngasmenge. Wenn die Hauptbrennstoffzufuhr abgesperrt wird, strömt der Brennstoff aus der Zündflammenleitung 18 nach oben durch den Brennstoffa»sstrittsraum 13 und verbrennt in der Verbrennungszone. Die Flamme liegt zwar an einem Rand der Verbrennungszone, jedoch ermöglicht sie eine einwandfreie erneute Zündung, wenn die Hauptbrennstoffzufuhr wieder geöffnet wird.

Bei dem in Fig. 6 und 7 dargestellten Brenner sind zwei Zündflammenleitungen 18c und I8d unmittelbar unterderTrennwand 14 durch den Brennstoffeintrittsraum 12 geführt. In der Mitte des Brenners sind die Leitungen aufwärts gebogen, um im Brennstoffaustrittsraum 13 unmittelbar über der Trennwand 14 ho zu enden.

Die Zündflamme brennt in der gleichen Weise, wie im Zusammenhang in Fig. 4 und 5 beschrieben, ermöglicht jedoch eine schnellere erneute Zündung. Dies ist ein Vorteil bei Brennern mit einer großen <,·-, Querschnittsfläche.

Die Zündflammen in Brennern der in Fig. 5 bis 7 dargestellten Art brennen nicht in Kontakt mit feinen Zündflammendüsen, so daß diese Düsen sich nicht durch Verrußen zusetzen können.

Fig, 8 zeigt einen Brenner für flüssigen Brennstoff (ähnlich dem in Fig. 1 bis 3 dargestellten Brenner), dereine nicht poröse Füllung in Form von unglasierten Keramikrohren 19 enthält, von denen jeweils eines um jedes Verbrennungsluftrohr 11 angeordnet ist und auf Vorsprüngen 20 ruht, (Fig. 8 zeigt die Anordnung für zwei benachbarte Verbrennungsluftrohre 11 in der Ebene ihrer Achsen.)

Der Brenner enthielt 47 Verbrennungsluftrohre 11 mit einem Außendurchmesser von je 4,72 mm, einem Innendurchmesser von 4,445 mm und einer Höhe von 31,8 mm. Die Verbrennungsluftrohre waren in Dreiecksanordnung mit Abständen von 6,2 mm zwischen den Mittelpunkten eingesetzt.

Jedes Verbrennungsluftrohr 11 war mit einem unglasierten Keramikrohr 19 versehen, das einen Innendurchmesser von 4,98 mm, einen Außendurchmesser von 6,1 rran und eine Höhe von 25,4 mm hatte und auf einem Vorsprung 20 im Absund von 6,35 mm vom Eintrittsende des Verbrennun^sluftrohrs 11 ruhte. Hierdurch ergibt sich ein Ringraum zwischen dem Verbrennungsluftrohr und dem Keramikrohr von 0,13 mm bei gleichmäßiger Ausführung.

Der Brenner wurde mit Kerosin als Brennstoff betrieben, das durch einen auf 16 mm unter dem Überlauf eingestellten Slandregler zugeführt wurde. Durch die Kapillarwirkung stieg der Brennstoff zum oberen Ende der Verbrennungsluftrohre 11 ohne Gefahr überzulaufen. Die Wärmeleistung betrug 1471912kJ/m²/Stunde (der gleiche Brenner mit ausgebauten Keramikrohren hatte eine Wärmeleistung von 818101 kJ/m²/Stunde bei Einstellung des Brennstoffstandes auf 6 mm unter dem Überlauf).

Fig. 9 stellt einen Wassererhitzer dar, der sich für eine Zentralheizung eignet und mit einem Brenner

30 der in Fig. 1 bis 8 dargestellten Art versehen ist. Der Brenner 30 ist am Fuß des Verbrerinung*raums

31 installiert, der mit einem Kamin am Austritt 32 verbunden ist. Während des Betriebs erhält der Brenne» seine Verbrennungsluft aus dem Luftraum 33, und die durch die Verbrennung gebildeten heißen Gase strömen über eine Seite des Wärmeaustauschers 34, der das durch die Rohre 35 und 36 umgewälzte Wasser erhitzt. Der Brenner erhält seinen Brennstoff über einen Regler 37.

Im Falle eines Gasreglers ist der Regler 37 ein Gleichdruckregler, und die Wärmeleistung wird durch Unterbrechen der Gaszufuhr nach Bedarf geregelt. Die in Fig. 4 bis 7 dargestellten Brenner sind mit Zündflammen versehen. Andernfalls ist eine Zünddüse 38 vorhanden.

In-. Falle eines Brenners für flüssige Brennstoffe kann der Regler 37 entweder ein Mengenregler oder Standreglcr sein, der die Brennstoffzufuhr nach dem Wärmebedarf regelt.

Die in den Beispielen beschriebenen Brenner ergaben eine Verbrennung mit ruhiger blauer Flamme mit Hilfe eines Diffusionsmechanismus. In allen Fällen ragten die Flammen um weniger als etwa 5 mm über den Brenner hinaus.

Als Verbrennungsluftrohre sind zylindrische Rohre besonders gut geeignet, die am zweckmäßigsten so angeordnet werden, i'aß ihre Achsen parallel verlaufen.

Die Strömung des Brennstoffs aus einem Brenner der vorstehend beschriebenen Art pflegt in gleicher Richtung wie die Strömung der Luft aus den Veibren-

nungsluftrohren zu erfolgen. Hierdurch wird eine einwandfreie Verbrennung erzielt.

Wenn jedoch sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Brennstoffs erforderlich sind, kann eine bessere Verbrennung nach dem vorstehend beschriebe- ' nen erreicht werden, wenn die Brennstoffströmung in die aus den Verbrennungsluftrohren 11 ausströmende Luft abgelenkt wird. Wenn dies erforderlich ist, kann der Brenner mit dem Leitblech versehen werden, das über dem Brennstoffaustrittsraum 13 vorgesehen ist. h>

Die folgenden beiden Konstruktionen sind besonders gut für die Verwendung am Eintrittsende der Verbrennungsluft rohre geeignet:

Konstruktion A ,,

[Diu Verbreiinungsluftrohre U sind gas- und flüssigkeitsdicht in die Löcher in der Platte 16 der Lufteintrittszone eingesetzt, die eine Wand des Brcnn-

Konstruktion B

Die Verbreiinungsluftrohre 11 haben einen anpassungsfähigen mehreckigen Querschnitt, z. B. in Form von gleichseitigen Dreiecken. Quadraten oder regelmäßigen Sechsecken, und die Wände der Mehrecke sind gas- und flüssigkeitsdicht aneinander befestigt.

Im Falle von Brennern für gasförmige Brennstoffe bieten die gepackten Brennstoffräume der Brennstoffströmung einen verhältnismäßig hohen Widerstand, und die Kombination von niedrigem und hohem Widerstand begünstigt eine gleichmäßige Brennstoffverteilung. Die Packung besteht vorzugsweise aus einem porösen Material, z. B. einem feinteiligen Material, beispielsweise einem Pulver, dessen Teilchengröße und Teilchendichte so gewählt sind, daß der erforderliche hohe Widerstand gegenüber der Brennstoffströmung erzielt wird. Die Teilchen können miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Drucksintern. Sintern unter Hitzeeinwirkung. Verwendung eines Bindemittels oder eine beliebige Kornbination dieser Maßnahmen.

Es können bei gasförmigen Brennstoffen und Brennern der vorstehend beschriebenen Art außerdem eine oder mehrere im Brennstoffaustrittsraum 13 endende Zündflammenleitungen 18c und 18r/ vorgesehen sein, die so bemessen sind, daß sie während des Gebrauchs genügend Brennstoff für die Unterhaltung einer Zündflamme zur erneuten Zündung zuführen.

Die Zündflammenleitung oder, wenn mehrere Zündflammenleitungen 18c. 18</ verwendet werden. jede Zündflamrrenleitung. endet in der Nähe der Grenze zwischen dem Brennstoffaustrittsraum und der benachbarten ungepackten Zone.

Für die Herstellung eines Brenners ist es zweckmäßig, daß die Zündflammenleitung oder, wenn mehrere Zündflammenleitungen verwendet werden, jede Zündflammenleitung, in der Nähe der Kante des Brenners endet. Wenn eine Zündflammenleitung in der Mitte des Brenners enden soll, kann sie durch eine ungepackte Zone geführt werden, vorausgesetzt, daß sie in der gepackten Austrittszone endet.

Im Falle von Brennern für flüssige Brennstoffe (bei denen ein hoher Widerstand gegenüber der Brennstoffströmung nicht wichtig ist) überträgt die Packung im Brennstoffaustrittsraum 13 den Brennstoff durch Oberflächenspannung (d. h. die Packung entwickelt eine Dochtwirkung). Essoll /wischen zwei Mechanismen der Brennstoffübertragung unterschieden werden. Beim ersten Mechanismus bildet die Packung (die nicht porös zu sein braucht, aber eine Kapillarwirkung haben muli) Kanäle von Kapillargröße, beispielsweise zwischen verschiedenen Packungselcmcnten und/oder zwischen der Packung und den Verbrennungsluftrohren. Beim zweiten Mechanismus ist die Packung porös, und der Brennstofftransport wird in der Weise erreicht, in der ein Schwamm Wasser aufsaugt. Beide Mechanismen können gleichzeitig wirksam sein. Bezüglich des Brennstofftransports sind alle Packungen, die sich für Brenner für gasförmige Brennstoffe eignen, auch für den Brennstoffaustriltsrauin »on Brennern für flüssige Brennstoffe geeignet. Verbesserter Betrieb wird jedoch erreicht, wenn die Packung im Brennstoffaustrittsraum zum Wa'rme-Γ· Kor.χι η η ·ι>ιΓ ,1«,, H r,> „ ric I/iff Koilr.r,) n.yl lijorjlirj-h

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die Verdampfung des Brennstoffs in die Verbrennungszone verbessert. Es ist somit zweckmäßig, nicht-fcinteilige Packungen oder feinteilige Packungen mit gutem Wärmekontakt zwischen den Teilchen zu verwenden, z. B. solche (die vorstehend im Zusammenhang mit Gasbrennern genannt wurden), in denen die Teilchen beispielsweise durch Drucksintern. Sintern unter Hitzeeinwirkung oder Verwendung eines Bindcrr!.MeIs miteinander verbunden sind.

Zur Erzielung optimaler Leistung der vorstehend beschriebenen Brenner sind die Querschnittsfläche und die Dichte der Anordnung der Verbrennungsluftrohre besonders wichtig. Die Querschnittsfläche der Verbrennungsluftrohre beeinflußt ihren Widerstand gegen die Luftströmung. Durch eine Verkleinerung dieser Fläche wird der Widerstand erhöht. Die Dichte der Anordnung bestimmt die Längen der Diffusionswege, wobei kurze Wege die Vermischung von Brennstoff und Sauerstoff begünstigen. Die Querschnittsfläche ist ferner insofern wichtig, als sie die Zahl der Verbrennungsluftrohre 11 begrenzt, die in eine gegebene Fläche eingesetzt werden können. Es wurde festgestellt, daß optimale Abmessungen erreicht werden, wenn die Bohrung jedes Verbrennungsluftrohrcs 11 an der Stelle, in der es sich in die Verbrennungszone öffnet. 0.01 bis 1.0 cm- beträgt und die Bohrungen der Verbrennungsluftrohre 11 wenigstens 25^ri. insbesondere wenigstens 50% der Oberfläche des der Verbrennungszone benachbarten Brennstoffaustrittsraums 13 ausmachen.

Der beschriebene Brenner kann beispielsweise bei einem Verbrennungsapparat für Strahiungs.-.ärme verwendet werden, der mit einem Element aus Keramikstoff versehen ist, das in der Verbrennungszone so angeordnet ist, daß das Element während des Betriebs der Vorrichtung durch die Verbrennung erhitzt wird. Diese Kombination eignet sich besonders gut für Ofenkonstruktionen, d. h. die Strahlungselemente bilden Seiten und/oder den Boden und/oder die Oberseite des Heizraums. Es ist zweckmäßig, den Heizraum in drei Dimensionen mit Strahlungselementen zu umgeben, jedoch ist es notwendig, eine Öffnung für die Rauchgase und eine Tür vorzusehen. Die Tür könnte gegebenenfalls die Form von beweglichen Kombinationen aus Brenner und Elementen haben.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   1, Brenner für flüssige und gasförmige Brennstoffe mit einer Vielzahl von senkrechten Verbrennungsluftrohren, die durch eine Trennwand führen, über der zwischen den Verbrennungsluftrohren eine den Brennstoff durch Kapillarwirkung fördernde Füllung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung des Brennstoffes unter der Trennwand (14) frei in den Zwischenräumen zwischen den Verbrennungsluftrohren (11) und dann durch rings um jedes dieser Verbrennungsluftrohre (11) gebildete ringförmige Brennstoff kanäle (15) in der Trennwand (14) hindurch nach oben erfolgt.
2. 2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung aus porösem Material und/oder aus die einzelnen Verbrennungsluftrohre (11) jeweils mit Abstand umgebenden unglasierten Keramikrohren (19) besteht.