DE2855615A1

DE2855615A1 - Brenner fuer verbrennungsvorrichtungen

Info

Publication number: DE2855615A1
Application number: DE19782855615
Authority: DE
Inventors: Shigemori Prof Ohtani; Toshiro Prof Takeyama
Original assignee: TOKYO TANKOSHO KK
Current assignee: TOKYO TANKOSHO KK
Priority date: 1977-12-28
Filing date: 1978-12-22
Publication date: 1979-07-05
Also published as: US4275841A; JPS5747811B2; JPS5490633A; DE2855615C2

Description

Toshiro Takeyama, Shigemori Ohtani und KABUSHIKIKAISHA TOKYO TANKOSHO

Brenner für Verbrennungsvorrichtungen

Die Erfindung betrifft Brenner für Verbrennungsvorrichtungen mit einer Düse und einer im Inneren der Düse in axialer Richtung verlaufenden Brennstoffpassage.

Solche Brenner sind bekannt und werden in Verbrennungsvorrichtungen von Metall-Heizöfen, Keramiköfen und dergl. verwendet, wobei eine Luftzerstäubung stattfindet. Bei dieser Luftzerstäubung wird der Brennstoff durch einen Hochgeschwindigkeitsluftstrom zerstäubt, so daß eine Gruppe

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derart zerstäubter Substanzen verbrannt wird. Die Wirkungsweise eines solchen Brenners wird dabei durch die Durchführung der Zerstäubung und der Verbrennung des Brennstoffes bestimmt. Wenn die Zerstäubung gering ist, sind die Brennstoffteilchen groß, so daß innerhalb einer bestimmten Zeitdauer keine vollständige Verbrennung auftritt und somit Ruß und Rauch entstehen kann.

Um derartige, nur wenig zerstäubte Teilchen zu verbrennen, ist ein großer Luftüberschuß notwendig, wodurch der thermische Wirkungsgrad verschlechtert wird, so daß nicht nur zuviel Brennstoff verbraucht wird, sondern auch das zu erhitzende Material in der Verbrennungsvorrichtung beschmutzt werden kann.

Ganz allgemein wird die Zerstäubung innerhalb solcher Brenner durch das Verhältnis Q /Q , d.h. der Luftdurch-

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flußmenge Q (m³/Std.) zu der Brennstoffverbrauchsmenge

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Q (m³/Std.), bestimmt. Wenn dieses Verhältnis klein ist, ist auch das Ausmaß der Zerstäubung gering, und wenn dieses Verhältnis groß, beispielsweise etwa 2 χ 10³ ist, wird der durchschnittliche Sauterische Durchmesser d_o„ (= ■=—-vr) der Körperfläche der Teilchengruppe konstant. Der Wert dieses Verhältnisses ist etwa doppelt so groß wie die zur Verbrennung benötigte, theoretische Luftmenge. Je größer der relative Wert (U - U ), d.h. der Differenz der (durch den

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Druck des Gebläses bestimmten) Geschwindigkeit U (m/Sek.)

der Zerstäubungsluft und der Geschwindigkeit U (m/Sek.) des aus der Düsenöffnung austretenden Brennstoffs ist, desto kleiner ist der durchschnittliche Durchmesser d_„. Der Grad der Zerstäubung wird somit sehr nahe der Düsenöffnung bestimmt, wo die Luft und der Brennstoff miteinander in Berührung kommen.

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Bei den herkömmlichen Zerstäubungsbrennern folgt die Injektion des Brennstoffes parallel zu der Luftströmungsrichtung. Hierbei muß der Brennstoffauslaß im Durchmesser auf 1 bis 2 mm reduziert sein, um eine ausreichende Zerstäubung zu erreichen. Deshalb besteht hier eine Begrenzung des Brennstoffverbrauchs aus 10 bis 20 Liter pro Stunde. Bei Brennern größerer Kapazität von mehr als 100 Litern Brennstoffverbrauch pro Stunde muß der Brennstoffauslaß jedoch groß gemacht werden, so daß die Zerstäubung naturgemäß verschlechtert wird. Um die Kapazität der Brenner zu erhöhen, werden auch solche Typen verwendet, bei denen viele Brennstoffauslässe mit kleinem Durchmesser vorhanden sind. Bei diesen Brennertypen ist jedoch der Kontakt zwischen Brennstoff und Luft schlecht, so daß ebenfalls keine gute Zerstäubung des Brennstoffes möglich ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brenner zu schaffen, bei dem der Zerstäubungsgrad des Brennstoffes verbessert wird.

Dieses Ziel wird ausgehend von dem eingangs beschriebenen Brenner erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Vorderende der Düse durch einen kegelartigen Teil blockiert ist, dessen Außenumfang einen vom düsenseitigen Ende nach vorn im Durchmesser zunehmenden Schrägteil darstellt, und daß mehrere im kegelartigen Teil vorgesehene, mit der Brennstoffpassage in Verbindung stehende Brennstoffauslasse an diesem Schrägteil oder an dessen Basisteil vorgesehen sind.

Durch eine solche Ausbildung werden die Nachteile der bekannten Brenner überwunden. Es wird ein sogenanntes mehrstufiges Zerstäubungssystem eingesetzt. Dieses geschieht durch die Blockierung des vorderen Endes der Düse mittels des den

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Schrägteil bildenden kegelartigen Teils, der sich in Luftströmungsrichtung erweitert, wobei der Brennstoff strahlartig aus einer Mehrzahl von Auslassen an dem Schrägteil ausgestoßen wird und dort im wesentlichen rechtwinklig mit dem Luftstrom zusammentrifft, so daß eine Zerstäubung vollzogen wird. Dieses ist die erste Stufe des Zerstäubungssystems. Der dabei noch nicht zerstäubte Brennstoff fließt dann entlang dem Schrägteil in Form eines Filmes und wird am weitesten Teil dieses Schrägteils als Film zerstäubt. Dieses stellt die zweite Stufe des Zerstäubungssystems dar.

Bei dem erfindungsgemäßen Brenner trifft der zu verbrennende Brennstoff also mit der Luft zusammen und fließt entlang dem geneigten Teil des Schrägteiles in Form eines Filmes, so daß sogar dann, wenn der Luftdruck zum Zerstäuben des Brennstoffes sinkt, der Brennstoff in eine Anzahl von extrem kleinen Partikel zerstäubt wird. Die vorliegende Erfindung bewirkt somit, daß die Vollständigkeit der Verbrennung erheblich verbessert wird.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausbildung des erfindungsgemäßen Brenners ist vorgesehen, daß das vordere Ende des kegelartigen Teils eine Schnittfläche bildet. Diese Schnittfläche kann dabei eben oder auch nach vorne gewölbt sein. Dabei sieht eine andere Weiterbildung vor, daß das vordere Ende des kegelartigen Teils aus einem sich nach vorne verjüngenden, kegelartigen Teil besteht.

Eine weitere äußerst vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht dabei vor, daß mehrere kegelartige Teile reihen- und stufenartig aufeinanderfolgend am Vorderende der Düse vorgesehen sind. Dies kann beispielsweise in der Weise geschehen, daß vom Vorderende der Düse ausgehend sich immer abwechselnd ein

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sich nach vorne erweiternder und dann wieder ein sich nach vorne hin verjüngender kegelartiger Teil anschließt. Auf diese Weise wird ein vielstufiges Zerstäubungssystem geschaffen, durch das die Zerstäubung des Brennstoffes noch weiter gefördert wird und somit eine noch vollständigere Verbrennung auftritt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen in Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1-3 Längsschnitte von bekannten, herkömmlichen Brennern,

Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brenners,

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brenners,

Fig. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brenners,

Fig. 7 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brenners,

Fig. 8-10 mögliche Anordnungen von Brennstoffauslässen bei den erfindungsgemäßen Brennern und

Fig. 11+12 Zerstäubungscharakteristiken der verschiedenen Brenner.

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Bei den bekannten Luftzerstäubungs—Brennern ist, wie in den Fig. 1-3 dargestellt, die Injektionsrichtung des Brennstoffes parallel zu der Luftströmungsrichtung ausgerichtet. Bei dem Brenner gem. Fig. 1 ist dabei eine Brennerdüse 2 vorgesehen, die axial und mittig im Inneren eines Zerstäubers angeordnet ist, wobei in der vorderen Endfläche der Brennerdüse 2 ein Brennstoffauslaß 4 vorgesehen ist, der mit einer axial in der Brennerdüse 2 verlaufenden Brennstoffpassage 3 in Verbindung steht. In Fig. 2 besitzt die Brennerdüse 2 an ihrem vorderen Ende einen Teil 5 geringeren Durchmessers. Demgegenüber sind bei der Ausbildung gem. Fig. 3 am vorderen Ende der Brennerdüse 2 mehrere Brennstoffauslässe 4 vorgesehen, die in paralleler Richtung mit der Düse 2 ausgerichtet sind.

Bei all diesen bekannten Brennern ist die Injektionsrichtung des Brennstoffes parallel zu der Luftströmungsrichtung ausgerichtet, wobei der Durchmesser der Brennstoffauslässe zum Zwecke einer guten Zerstäubung 1 bis 2 mm beträgt und der Brennstoffverbrauch auf 10 bis 20 Liter pro Stunde begrenzt ist. Bei Brennern mit einem Brennstoffverbrauch von mehr als 100 Litern pro Stunde muß der Durchmesser des Brennstoffauslasses größer sein, so daß dann die Zerstäubung natürlicherweise verschlechtert wird. Weiterhin ist auch bei einem Brenner gem. Fig. 3, der mehrere Brennstoff auslasse kleinen Durchmessers aufweist, der Kontakt zwischen Brennstoff und Luft schlecht, so daß kein Zerstäuben des Brennstoffes in einen feinen Nebel erwartet werden kann.

In Fig. 11 und 12 sind die Zerstäubungscharakteristiken verschiedener Brenner dargestellt, wobei in Fig. 11 als Ordinate der Sauterische durchschnittliche Durchmesser d-,„ (μ) der Körperfläche und als Abszisse das Verhältnis Qa/Qb der

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Luftdurchflußmenge zu dem Brennstoffvolumen aufgetragen ist, während in Fig. 12 als Abszisse die Brennstoffverbrauchsmenge in Litern pro Stunden angegeben ist.

Bei den bekannten Brennern gem. den Fig. 1 und 2 ist es schwer, einen durchschnittlichen Durchmesser d_„ der Teilchengruppen von unter 100μ zu erhalten, wenn das Verhältnis Qa/Qb gem. den Kurven (1) und (2) in Fig. 11 relativ groß ist. Wie durch die Kurven (1) und (2) in Fig. 12 dargestellt, werden die Tröpfchen ab einem Brennstoffverbrauch von 30 Litern pro Stunde plötzlich größer, so daß also die Zerstäubung und somit die Verbrennung verschlechtert wird und der Verbrenner nicht seine volle Funktion erfüllt.

Diese Nachteile werden durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Brenners beseitigt. Der Grundaufbau eines erfindungsgemäßen Brenners ist dabei in Fig. 4 dargestellt. Dort ist im Innern einer Düse 11, die sich in einem nicht dargestellten Zerstäuber befindet, eine axiale Brennstoffpassage 12 vorgesehen. Das vordere Ende der Düse 11 ist dabei durch einen Kegelstumpf 13 blockiert, dessen Außenumfang einen sich vom hinteren Ende zum vorderen Ende hin erweiternden Schrägteil 14 bildet, der am vorderen Ende durch eine Schnittfläche 15 begrenzt ist. Die Schnittfläche kann dabei eine sich rechtwinklig zur Achse der Düse 11 verlaufende Ebene oder auch eine nach außen konkav vorstehende Fläche sein. In dem Kegelstumpf 13 sind mehrere, von der Brennstoffpassage 12 nach außen führende Brennstoffauslässe 16 vorgesehen, deren vordere öffnungen 16' sich in dem Kegelstumpf befinden. Der in der Brennstoffpassage 12 unter Druck geführte Brennstoff wird somit durch mehrere Brennstoffauslasse an deren vorderen öffnungen 16' strahlartig ausgespritzt.

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Der durch den durch den Innenumfang des Zerstäubers und den Außenumfang der Düse 11 gebildeten Luftraum fließende Luftstrom verläuft in Längsrichtung der Düse 11, wodurch der aus den Flüssxgkeitsöffnungen 16' ausgespritzte Brennstoff in einem ersten Schritt zerstäubt wird. Andererseits fließt dabei noch nicht zerstäubter Brennstoff in Form eines Films entlang dem Schrägteil 14 und verläßt dessen Wandfläche am Gipfelteil 17 des Kegelstumpfes, so daß er im Kontakt mit dem Luftstrom in einem zweiten Schritt als Film zerstäubt wird. Hierdurch wird ein mehrstufiges Zerstäubungssystem gebildet, bei dem eine sehr gute Zerstäubung des Brennstoffes und somit eine erhöhte Verbrennung erreicht wird. Dabei wird außerdem an der Schnittfläche 15 der Düse ein Flammenwirbel erzeugt, der ein besseres Aufrechterhalten der Flamme ergibt.

Bei dem zweiten, in Fig. 5 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel sind die öffnungen 16' der Brennstoffauslasse 16 am Basisende des Schrägteils 14 vorgesehen, und das vordere Ende des Kegelstumpfes weist dabei statt einer Schnittfläche einen sich nach vorne konisch verjüngenden Kegel 18 auf. Auch hier findet wie bei dem Ausführungsbeispiel gem. Fig. 4 eine zweistufige Zerstäubung statt.

Bei dem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gem. Fig. 6 ist am vorderen Ende des Kegels 18 ein weiterer Kegelstumpf 19 vorgesehen. Dieser zweite Kegelstumpf 19 weist einen dem Schrägteil 14 ähnlichen zweiten Schrägteil 20 auf, dessen Außenumfang vom hinteren Ende zum vorderen Ende hin zunimmt, wobei der zweite Schrägteil am vorderen Ende eine zweite Schnittfläche 21 besitzt. Aufgrund dieser Ausbildung wird, falls eine sehr geringe Brennstoffmenge am Kegel 18 entlangfließen sollte, diese Brennstoffmenge durch den Luftstrom am zweiten Schrägteil 20 des zweiten Kegel-

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stumpfes 19 aufwärtsbewegt und am Gipfelteil 17' desselben als Film zerstäubt. Hier ist also ein mehrstufiges Zerstäubungssystem verwirklicht, bei dem eine höhere Zerstäubung als beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel erreicht wird.

Bei dem vierten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gem. Fig. 7 ist gegenüber dem dritten Ausführungsbeispiel noch ein weiterer, sich nach vorne verjüngender Kegel 22 am vorderen Ende des zweiten Kegelstumpfes 19 vorgesehen. Bei diesem Beispiel handelt es sich ebenfalls um ein mehrstufiges Zerstäubungssystem wie beim dritten Ausführungsbeispiel, und man erhält hier eine vortreffliche Zerstäubung.

Wie aus den Fig. 4-7 ersichtlich, beinhaltet die Erfindung ein mehrstufiges Zerstäubungsverfahren, bei dem Brennstoff etwa rechtwinklig zu der Luftströmung ausgespritzt wird, so daß er in Form von Nebel zerstäubt wird. Der jeweils an einem Schrägteil entlangfließende Brennstoff wird dabei mit der Luft im Gipfelteil des jeweiligen Kegelstumpfes nebelartig zerstäubt. Aufgrund der wesentlich verbesserten Zerstäubung im Brenner kann bei einem kleinen Koeffizienten des LuftüberSchusses die Verbrennung stark erhöht werden. Bei einem Heizofen kann z.B. die Brennstoffverbrauchsmenge verkleinert und die innere Temperatur stabilisiert werden, wobei zusätzlich auch noch vermieden wird, daß zu erhitzendes Material durch Brennstoff verunreinigt wird. Diese Vorteile können durch eine mehrstufige Anordnung von Kegeln noch erhöht werden. Da es möglich ist, die Zufuhrmenge des Brennstoffs in einem weiten Bereich von kleinem bis zu großem Volumen einzustellen, indem man die Innendurchmesser oder die Anzahl der Brennstoffauslasse 16 jeweils in geeigneter Weise wählt, kann die Erfindung für alle möglichen Typen von Heizanlagen verwendet werden.

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Wie in Fig. 8 dargestellt ist, sind im allgemeinen die Auslässe 16 im Schrägteil 14 des Kegelstumpfes 13 mit gleichem Abstand zueinander angeordnet. Man kann aber auch noch eine Verminderung des erzeugten Stickoxydes bewirken, wenn die Auslässe 16, wie in Fig. 9 gezeigt, einen weiteren und einen engeren Abstand zueinander besitzen, oder wenn jeder Brennstoffauslaß 16, wie in Fig. 10 dargestellt, die Form eines breiten Schlitzes aufweist, da dann die Flammen bei der Verbrennung aufgefächert sind.

Mit dem zweiten, dritten und vierten Ausführungsbeispiel sind verschiedene Messungen durchgeführt worden, deren Ergebnisse in den Fig. 11 und 12 als Zerstäubungscharakteristiken wiedergegeben sind.

Die Zerstäufcungscharakteristik des Brenners gem. dem zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 5) ist in den Fig. 11 und 12 jeweils durch die Kurve (3) angedeutet, aus der ersichtlich ist, daß die feinen Partikel, bei denen das Verhältnis 4 χ 10³ von Luftdurchflußmenge zu Brennstoffverbrauchsmenge und deren durchschnittlicher Durchmesser ca. 100μ ist, mit etwa 70 Litern pro Stunde zugeführt werden können.

Der Brenner gem. dem dritten Ausführungsbeispiel (Fig. 6) weist die durch die Kurve (4) in den Fig. 11 und 12 gezeigten Zerstäubungscharakteristiken auf, aus denen zu ersehen ist, daß der durchschnittliche Durchmesser der Teilchen unterhalb von 90μ liegt, wenn das Verhältnis der Luftdurchflußmenge zu der Brennstoffverbrauchsmenge ungefähr 2 χ 10³ ist, und der Teilchendurchmesser umso kleiner wird, je größer das Verhältnis von Luftdurchflußmenge zu Brennstoffverbrauchsvolumen wird. Sogar wenn die Brennstoffzufuhr

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in etwa 150 Liter pro Stunde beträgt, liegt der durchschnittliche Teilchendurchmesser unterhalb 100μ.

In den Fig. 11 und 12 ist durch die Kurven (5) die Zerstäubungscharakteristik des Brenners gem. dem vierten Ausführungsbeispiel (Fig. 7) wiedergegeben. Aus diesen Kurven ist zu entnehmen, daß die durchschnittliche Größe der feinen Partikelchen unterhalb von 75μ liegt, wenn das Verhältnis von Luftdurchflußmenge zu Brennstoffvolumen 2 χ 10³ beträgt, und daß selbst bei einer Brennstoffzufuhr von etwa 200 Litern pro Stunde die Teilchengröße kleiner als 100μ ist.

Bei allen üblichen Heizanlagen reicht es aus, wenn die durchschnittliche Teilchengröße des zerstäubten Brennstoffs kleiner als 100μ ist. Dementsprechend erhält man bei jedem der Ausführungsbeispiele der Erfindung hervorstechende Ergebnisse und einen verbesserten praktischen Wert, wenn das Verhältnis von Luftdurchflußmenge zu Brennstoffvolumen 4 χ 10³ beträgt. Die Luftmenge bei diesem Verhältnis von Luftdurchflußmenge zu Brennstoffvolumen beträgt weniger als die Hälfte der theoretischen Verbrennungsluftmenge, so daß übrige Luft als Sekundärluft frei eingeführt werden kann, um dadurch die Verbrennung zu verbessern.

Die Brenner gem. allen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen haben bei Verwendung von flüssigem Brennstoff die beste Wirkung. Sie können jedoch auch ohne Modifikationen mit gasförmigem Brennstoff betrieben werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Brenner für Verbrennungsvorrichtungen mit einer Düse und einer im Inneren der Düse in axialer Richtung verlaufenden Brennstoffpassage, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorderende der Düse (11) durch einen kegelartigen Teil (Kegelstumpf 13) blockiert ist, dessen Außenumfang einen vom düsenseitigen Ende nach vorne im Durchmesser zunehmenden Schrägteil (14) darstellt, und daß mehrere im kegelartigen Teil vorgesehene, mit der Brennstoffpassage (12) in Verbindung stehende Brennstoffauslasse (16) an diesem Schrägteil (14) oder an dessen Basisteil vorgesehen sind.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vordere Ende des kegelartigen Teils (Kegelstumpf 13) eine Schnittfläche (15) bildet.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vordere Ende des kegelartigen Teils (Kegelstumpf 13) aus einem sich nach vorne verjüngenden, kegelartigen Teil (Kegel 18) besteht.

4. Brenner nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere kegelartige Teile (Kegelstümpfe 13,19, Kegel 18,22) reihen- und stufenartig aufeinanderfolgend am Vorderende der Düse (11) vorgesehen sind.

ORIGIiSiAL INSPECTED

909P27/0&93