DE19604585A1 - Kleinfeuerung für den häuslichen Nutzungsbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Feuerung, insbesondere eine Kleinfeuerung für den häuslichen Nutzungsbereich, mit einem Brenner, der eine Vielzahl von zueinander eng be­ nachbarten Brenneraustrittsöffnungen aufweist, durch die ein Brennstoff-/Luft-Gemisch strömt, das stromab­ wärts des Brenners verbrannt wird.

Feuerungen dieser Art finden sich in Gasboilern oder Gasheizthermen oder -heizkessel, wobei der Brenner üb­ licherweise aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff gefertigt ist. Aufgrund der vielen Austritts­ öffnungen spricht man auch von einem "multiple-port" oder einem "Teppichbrenner". Diesen Brennern wird übli­ cherweise vorgemischtes Brennstoff-/Luft-Gemisch zuge­ führt. Der Brenner ist zumindest abschnittsweise sieb­ artig ausgeführt und das Brennstoff-/Luft-Gemisch tritt durch die derart gebildeten eng benachbarten Brenner­ austrittsöffnungen laminar hindurch und wird stromab­ wärts in einer Vielzahl von Einzelflammen verbrannt, die jeweils einzelnen Brenneraustrittsöffnungen zuzu­ ordnen sind.

An derartigen Feuerungen können Flammen-/Druckschwin­ gungen auftreten, wie sie auch bei industriellen Ver­ brennungsanlagen, wie zum Beispiel Gasturbinenbrennkam­ mern, Industrieöfen etc. bekannt sind. Während die bei den industriellen Verbrennungsanlagen auftretenden Schwingungen aber in der Regel vergleichsweise niedrige Frequenzen und hohe Amplituden aufweisen, sind die bei den hier beschriebenen Kleinfeuerungen auftretenden Schwingungen häufig durch hohe Frequenz aber niedrige Amplituden gekennzeichnet. Damit tritt an diesen Anla­ gen eine nicht tolerierbare akustische Belastung auf in Form eines Pfeifens. Um dieses Pfeifen beseitigen zu können, werden von den Brenner- bzw. Geräteherstellern unter hohem finanziellen Aufwand Möglichkeiten gesucht, das Auftreten dieser Verbrennungsinstabilitäten durch Änderungen am Brenner oder an der Brennkammergeometrie zu verhindern.

Dabei weiß man zwar, daß das Auftreten dieser Schwin­ gungen an eine diskrete Kombination der feuerungstech­ nischen Betriebsparameter wie thermische Leistung, Luftzahl und Brennstoffart gebunden ist, letztlich ist man aber auf empirisch erhaltene Maßnahmen angewiesen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine oben beschriebene Feuerung derart weiterzubilden, daß die Schwingungen, das heißt also das Pfeifen, unter den üblichen Betriebsbedingungen im gewünschten Regelbe­ reich der Feuerung nicht mehr auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Brenneroberfläche im Bereich der Brenneraustritts­ öffnungen beheizbar ist.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß die den Flammenteppich bildenden Einzelflammen nicht ausreichend zündstabilisiert sind. Bei den oben ange­ sprochenen industriellen Verbrennungsanlagen werden hierzu konstruktive Maßnahmen ergriffen. Dies ist aber bei den hier interessierenden Brennern aufgrund der Vielzahl der Austrittsöffnungen, aus denen das Brenn­ gas-/Luft-Gemisch in vielen Einzelstrahlen austritt, aus wirtschaftlichen Gründen nicht vertretbar.

Deswegen treten insbesondere bei Mager-Vormischverbren­ nungen von gas- oder dampfförmigen Brennstoffen Ver­ brennungsinstabilitäten auf. Für diese gibt es mehrere sich teilweise auch gegenseitig beeinflussende Ur­ sachen. Zum einen ändern sich die Wärmefreisetzungsra­ ten der Flammen periodisch, zum anderen ändert sich die axiale Position, an dem das aus der Brenneraustritts­ öffnung ausströmende Gas entzündet wird, wobei diese als "Zündschwingung" bezeichnete Fluktuation der Zünd­ zonen relativ zur Brenneroberfläche als wesentliche Ur­ sache des Pfeifens angesehen wird.

Durch die erfindungsgemäße Beheizung wird jetzt eine deutlich erhöhte Brenneroberflächentemperatur erreicht, was als Folge eine erhebliche Verbesserung der Zündsta­ bilität der Flamme hat und so die Zündschwingungen unterdrückt.

Soweit hier von der Beheizung der Brenneroberfläche ge­ sprochen wird, wird darunter auch verstanden, lediglich Bereiche der Brenneroberfläche entsprechend zu behei­ zen, in denen aufgrund der spezifischen lokalen Randbe­ dingungen normalerweise erste Instabilitäten auftreten können, die dann entsprechende Schwingungen im gesamten Flammenteppich initiieren können.

Eine Möglichkeit, die Brenneroberfläche, aus der das Brennstoff-/Luft-Gemisch austritt, zu beheizen, ist sie mit einer Zuführvorrichtung für heiße Rauchgase zu ver­ binden. In diesem Fall würde die Brenneroberfläche durch Wärmetausch mit heißen, ausgebrannten Rauchgasen beheizt. Hierzu kann das Rauchgas in einer doppelwandi­ gen Brennerplatte geführt werden, in die die Brenner­ austrittsöffnungen als Durchtrittskanäle eingearbeitet sind, so daß sich die Rauchgase nicht mit dem Frisch­ gasgemisch vermischen können.

Alternativ wird vorgeschlagen, den Brenner elektrisch zu beheizen. Vorzugsweise wird der Brenner hierzu aus einem Material gefertigt, das sich bei Durchleitung eines elektrischen Stromes in ausreichendem Maße er­ hitzt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Brenner­ oberfläche aber durch eine Wärmebestrahlung erwärmt, wozu ihr gegenüber ein Strahlungsschild in der Feuerung angeordnet wird. Dieses Strahlungsschild, ist ein sowohl im Verhältnis zur Brenneroberfläche als auch im Verhältnis zu der in der Regel wassergekühlten Brenn­ kammerwand heißer Festkörper. Die von diesem ausgehende Wärmestrahlung erhöht die Temperatur der Brennerober­ fläche, so daß sich bei dieser eine einheitliche, deut­ lich erhöhte Oberflächentemperatur einstellt, was eine Verbesserung der Zündstabilität der Flamme zur Folge hat und die Zündschwingungen unterdrückt.

Es bietet sich an, das Strahlungsschild durch die Flam­ men oder die Rauchgase zu beheizen, die am Strahlungs­ schild vorbeistreifen. Diese haben eine Temperatur von ca. 1.200-1.400°C, so daß das Strahlungsschild auf eine Temperatur von ca. 1.000°C oder darüber erhitzt wird.

Das Strahlungsschild kann dabei sowohl aus metallischem Material sein, zum Beispiel Edelstahl, oder aber auch aus keramischem Material. Wesentlich ist, daß das Mate­ rial bei der hohen Temperatur widerstandsfähig gegen Oxidation etc. bleibt und die entsprechenden Strah­ lungseigenschaften eines Festkörperstrahlers bei einer ausreichenden Strahlungsemissivität entwickelt.

Der Abzug der Rauchgase wird unter Strömungsgesichts­ punkten nicht behindert, wenn das Strahlungsschild ins­ besondere gitterförmig ausgebildet ist.

Um eine gleichmäßige Beheizung der Brenneroberfläche sicherzustellen, ist das Strahlungsschild vorzugsweise parallel zum Brenner angeordnet, bei Ausführungsformen, bei denen eine spezielle Strahlungscharakteristik not­ wendig ist, ist aber auch eine geneigte Stellung des Strahlungsschildes gegenüber der Brenneroberfläche denkbar.

Bei einem im wesentlichen rohrförmigen Brenner mit senkrechter Achse, der an seiner Mantelfläche die Bren­ neraustrittsöffnungen aufweist, ist eine Beheizung der Brenneroberfläche insbesondere an dem unteren Bereich notwendig, an dem sie nicht durch an ihr hochstreichen­ de Rauchgase erhitzt wird. Dies wird vorteilhafterweise durch ein konzentrisch um den Brenner herum angeordne­ tes Strahlungsschild erreicht, das die Form eines zylindrischen Rohres oder eines Kegelstumpfes aufweist.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen. Dabei zeigt

Fig. 1 einen durch Rauchgase beheizten Brenner;

Fig. 2 einen elektrisch beheizten Brenner;

Fig. 3 einen durch ein Strahlungsschild beheizten Brenner.

In Fig. 1 ist eine Feuerung im Schnitt dargestellt. Diese Feuerung weist eine wassergekühlte Brennkammer­ wand 1 auf, wobei das an dieser Brennkammerwand anfal­ lende Kühlwasser die Nutzwärme der Feuerung trägt. Die Temperatur der Brennkammerwand liegt dabei in einem Be­ reich in der Größenordnung von 100°C. Die Brennkammer­ wand wird beheizt durch heiße Rauchgase mit einer Tem­ peratur von etwa 1.200 bis 1.400°C, die von einem Flammenteppich erzeugt werden, der sich aus einer Viel­ zahl von Einzelflammen 2 zusammensetzt. Diese Einzel­ flammen 2 entstehen an einer Vielzahl von Brenneraus­ trittsöffnungen 3, die in einer Brennerplatte 4 ausge­ bildet sind. Dieser Brennerplatte wird über ein Zuführ­ rohr 5 ein vorgemischtes Brenngas-/Luft-Gemisch 6 zuge­ führt, das durch die Brenneraustrittsöffnungen 3 der Brennerplatte 4 hindurchtritt und dann entsprechend verbrannt wird. Da das Brenngas-/Luft-Gemisch selbst relativ kühl ist, insbesondere etwa Umgebungstemperatur hat, wird auch die Brennerplatte, durch die es strömt, etwa auf dieser Temperatur gehalten.

Um die Einzelflammen 2 an der Oberfläche 4a der Bren­ nerplatte 4 entsprechend zu stabilisieren, wird die Brennerplatte 4 beheizt. In hier dargestellten Beispiel ist die Brennerplatte 4 hierfür zweischalig ausgebil­ det, indem eine Unterschale 7 mit Abstand zur Brenner­ platte 4 vorgesehen ist und das Zuführrohr 5 für das Brenngas-/Luft-Gemisch 6 abschließt. Die Unterschale 7 ist mit Durchtrittsöffnungen 8 versehen, die über einen Zwischenraum 9 hinweg mittels Röhrchen 10 an die Bren­ neraustrittsöffnungen 3 angeschlossen sind. Durch den Zwischenraum 9 werden heiße Brenngase 11 hindurchge­ führt, die die Brennplatte 4 entsprechend erhitzen, was an dieser über Wärmeleitung zu einer Erhöhung der Tem­ peratur der Brenneroberfläche 4a und damit zur Stabili­ sierung der Einzelflammen 2 bzw. des Flammenteppichs führt. Damit treten hier keine Flammenschwingungen mehr auf und ein bei bisherigen Brennern häufig beobachtetes Pfeifen wird so vermieden.

Die heißen Rauchgase 11 werden über eine nicht darge­ stellte Leitung der durch die Brennkammerwand 1 be­ grenzten Brennkammer 12 entnommen, an deren Boden 13 der Brenner angeordnet ist.

In der Fig. 2 ist eine alternative Beheizung für eine Brennerplatte 4 bzw. der Brenneroberfläche 4a darge­ stellt. Hier wird die Beheizung mittels einer elektri­ schen Stromquelle 14 vorgenommen, an die die Brenner­ platte 4 über ein entsprechendes Verbindungskabel 15 angeschlossen ist und aus der sie mit elektrischem Strom versorgt wird. Dieser elektrische Strom bewirkt an der Brennerplatte 4 eine Erwärmung, da deren Mate­ rial dem Strom einen gewissen Widerstand entgegen­ stellt. Auch die hierdurch bewirkte Erwärmung der Bren­ neroberfläche 4a führt zu einer Zündstabilisierung der den Flammenteppich bildenden Einzelflammen 2.

Über Isolationsschichten 16 zwischen der Brennerplatte 4 und dem Boden 13 der Brennerkaminer 12 wird eine elek­ trische Isolierung erreicht.

Eine weitere Möglichkeit zur Beheizung der Brennerober­ fläche wird in der Fig. 3 beschrieben.

Dort ist innerhalb der Brennkammer 12 der Feuerung ge­ genüber der Brennerplatte 4 ein Strahlungsschild 17 be­ festigt. Dieses Strahlungsschild wird durch heiße Rauchgase 18 des sich aus den Einzelflammen 2 zusammen­ setzenden Flammenteppich auf eine Temperatur in der Größenordnung von ca. 1.000°C erhitzt. Damit hat das Strahlungsschild eine im Vergleich zur gekühlten Brenn­ kammerwand 1 oder zur unbeheizten Brenneroberfläche 4a deutlich höhere Temperatur und es fängt an, wie ein heißer Festkörper Energie abzustrahlen, wobei ein ge­ wisser Anteil hiervon als Nettostrahlungswärmestrom 19 auf die Oberfläche 4a des Brenners 4 abgestrahlt wird. Diese Strahlungswärme erhitzt die Brenneroberfläche 4a entsprechend, so daß auch auf diese Weise eine Zündsta­ bilisierung erreicht wird und das bereits erwähnte Pfeifen nicht mehr auftritt.

Das Strahlungsschild 17 ist im hier dargestellten Bei­ spiel parallel zur Brennerplatte 4 ausgerichtet, es kann aber auch gegenüber der Brennerplatte geneigt ein­ gebaut werden, falls eine abgeschwächte Beheizung der Brennerplatte 4 durch das Strahlungsschild 17 in gewis­ sen Bereichen erwünscht ist.

Das Strahlungsschild 17 besteht aus einem keramischen Material, das nach seiner Eignung als heißer Festkör­ perstrahler ausgesucht ist. Es kann aber auch aus Metall gefertigt werden.

Um die abströmenden Rauchgase nicht zu stark zu behin­ dern, ist das Strahlungsschild im übrigen auch gitter- oder rostförmig auszubilden, wobei dann durch Wahl eines entsprechenden Abstandes zwischen den einzelnen Gitter- oder Rostabständen eine Verteilung von Wärme­ strahlung entsprechend den spezifischen Anforderungen möglich ist.

Claims (13)

1. Feuerung, insbesondere Kleinfeuerung, mit einem Brenner (4), der eine Vielzahl von zueinander eng be­ nachbarten Brenneraustrittsöffnungen (3) aufweist, durch die ein Brennstoff-/Luft-Gemisch (6) strömt, das stromabwärts des Brenners verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenneroberfläche (4a) des Brenners (4) zumin­ dest im Bereich der Brenneraustrittsöffnungen (3) be­ heizbar ist.

2. Feuerung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feuerung mit einer Zuführvorrichtung für heiße Rauchgase (11) zum Brenner (4) versehen ist zur Beheizung der Brenneroberfläche (4a).

3. Feuerung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rauchgas (11) in einer doppelwandigen, die Brenneraustrittsöffnungen (3) als Durchtrittskanal (10) aufweisenden Brennerplatte (4) geführt ist.

4. Feuerung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenneroberfläche (4a) elektrisch beheizbar ist.

5. Feuerung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (4) aus einem bei Durchleitung eines elektrischen Stromes sich erhitzenden Material besteht.

6. Feuerung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenneroberfläche (4a) gegenüber ein Strah­ lungsschild (17) angeordnet ist.

7. Feuerung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungsschild (17) durch die Flammen (2) oder deren Rauchgase beheizt ist.

8. Feuerung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungsschild (17) aus metallischem Material ist.

9. Feuerung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungsschild (17) aus keramischem Material ist.

10. Feuerung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungsschild (17) gitterförmig ist.

11. Feuerung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungsschild (17) parallel zum Brenner (4) angeordnet ist.

12. Feuerung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungsschild (17) eine gegenüber der Bren­ neroberfläche (4) geneigte Stellung hat.

13. Feuerung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (4) rohrförmig ist und radiale Gasaus­ trittsöffnungen (3) aufweist und daß das Strahlungs­ schild (17) als konzentrisch zum Brenner (4) angeordne­ tes Rohr oder als Kegelstumpf ausgebildet ist.