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DE3243399C2 - Verbrennungsvorrichtung für eine hohlzylindrischen Wärmetauscher - Google Patents

Verbrennungsvorrichtung für eine hohlzylindrischen Wärmetauscher

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DE3243399C2
DE3243399C2 DE3243399A DE3243399A DE3243399C2 DE 3243399 C2 DE3243399 C2 DE 3243399C2 DE 3243399 A DE3243399 A DE 3243399A DE 3243399 A DE3243399 A DE 3243399A DE 3243399 C2 DE3243399 C2 DE 3243399C2
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Abstract

Bei einer Vorrichtung mit Brenner und Wärmetauscher ist zwischen einem mit einer Endwand (2) versehenen Hohlzylinder (1) und einem konzentrischen Einsatz (8) ein von Einbauten freier Ringspalt (12) gebildet, in dem Verbrennungsgase vom Brenner zum Auslaß strömen. Das der Endwand (2) zugewandte Ende des Einsatzes (8) ist mit einer ringförmigen Stirnwand (9) und einem im Einsatz zentrisch angeordneten Zentralbrenner (16) für vergasten flüssigen oder gasförmigen Brennstoff versehen. Der Zentralbrenner (16) weist eine beheizbare, zentrische Brennstoffaufbereitungskammer (17) und ein Kanalsystem (26) für die Verbrennungsluft mit konzentrischer Mündung (32) auf. In Verlängerung des Einsatzes (8) ist ein Brennerrohr (10) angeordnet, das mit Abstand von der Endwand (2) des Hohlzylinders (1) endet.

Description

Brennstoff-Luft-Gemisch auch gezündet werden kann. Die Rauchgase geben ihre Wärme im Ringspalt an den Wärmetauscher ab. Wenn hierbei sehr geringe Brennstoffmengen verfeuert werden, ist die Strömungsgeschwindigkete entsprechend gering, und auf die Wendelbewegung der Gase im Ringspalt kann verzichtet werden.
Wenn das Brennerrohr glüht, wird das Brennstoff-Luft-Gemisch, das das Hauptbrennersystem einspeist, sicher gezündet Der Ringspalt kann von störenden Elementen für die Zündung freigehalten werden, so daß sich ein völlig rotationssymmetrisches Strömungsmuster ergibt Die Flamme ist stabil. Es treten keinerlei Pulsationen auf. Die Glübzone hat den weiteren Yorteil, daß im Falle des Abreißens der Flamme im Betrieb innerhalb der Sicherheitszeit ein Wiederanzünden erfolgt
Der Zusatzbrenner kann nach der Anlaufphase in Abhängigkeit vom Brennstofftyp weiter in Betrieb gehalten oder vorzugsweise abgeschaltet werden. Die beiden Brennersysteme können daher gleichzeitig oder unabhängig voneinander arbeiten. Bei Verwendung beider Brennersysteme kann die Vorrichtung innerhalb eines bisher unerreicht großen Leistungsbereichs betrieben werden, so daß der Modulationsbereich verdoppelt wird. Hierbei kann gasförmiger oder flüssiger Brennstoff unabhängig von der Brennstoffmenge verwendet werden. Insbesondere können mit dem der Brennstoffzufuhr und -mischung dienenden Hauptbrennersystem auch schwer brennbare Stoffe, wie zähflüssiges Heizöl, verschmutztes Öl oder Öl-Kohlen-Gemische stöchiometrisch verfeuert werden, und zwar herab bis zu einer Leistung von etwa 0,1 kg Brennstoff pro Stunde, was bisher nicht möglich war.
Mit der Ausbildung nach Anspruch 2 kann flüssiger Brennstoff in der Brennstoffaufbereitungskammer verdampft und anschließend stöchiometrisch rußfrei verbrannt werden.
Die GlühzorH: gemäß Anspruch 3 ergibt ein besonders sanftes Anfahren. Wenn beim Anlauf der erste gasförmige Brennstoff zugeführt wird oder der erste Tropfen des flüssige'* Brennstoffs in die Brennstoffaufbereitungskammer gelangt und dort verdampft, vermischt sich das Gas oder der Dampf mit der in der Brennstoffaufberekungskämmer befindlichen Luft Das zündfähige Gemisch wird an der Glühzone gezündet. Die so gebildete Zündflamme wird von dem nachfolgenden Brennstoffdampf in den Brennraum innerhalb des Brennerrohres hinausgeschoben. Sie zündet dann das aus dem nachfolgenden Brennstoffdampf und der über das Kanalsystem zugeführten Verbrennungsluft gebildete Gemisch. Dieser Vorgang ergibt ein sehr sicheres Zünden bei blauer oder durchsichtiger Flamme. Außerdem kann der Brennraum innerhalb des Brennerrohres frei von Zündelementen gehalten werden.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 4 ist schon nach sehr kurzer Zeit die Glühtemperatur erreicht.
Der nach Anspruch 5 ausgebildete äußere Ringwirbel schützt die frisch gebildete Flamme vcr einer Abkühlung durch den Brennerkopf und erhöht dadurch die Stabilität der anfänglichen Flamme. Darüber hinaus sorgt er für eine sehr schnelle Erhitzung des Brennerrohres auf Glühtemperatur.
Mit der Maßnahme des Anspruchs 6 wird die Verbrennungsluft in einem konischen Luftstrahl eingeleitet. Diese Strahlforni i'Chrt zu einem äußeren Ringwirbel, der sich über die Flammenfront hinaus erstreckt und dann über einen verhältnismäßig langen Weg längs des Innenumfangs des Brennerrohres zurückzirkuliert
Mit der axialen Einstellbarkeit nach Anspruch 7 läßt sich die Geschwindigkeit der zuzuführenden Luft ändern.
Die rotierende Zufuhr der Verbrennungsluft nach Anspruch 8 ergibt eine stabilere Flamme und einen ausgeprägteren äußeren RingwirbeL
Bei der Ausführungsform nach Anspruch 9 gelten die Vorteile des äußeren Ringwirbels unabhängig von der
ίο augenblicklichen Brennerleistung.
Mit der Maßnahme des Anspruchs 10 kann die jeweilige Wärmeleistung auch dann, wenn der Zusatzbrenner nur allein eingeschaltet ist, der im jeweiligen Augenblick erforderlichen Wärmemenge angepaßt werden.
Gemäß Anspruch 11 können Zusatzbrenner und Hauptbrennersystem mit unterschiedlichen Brennstoffen betreibbar sein.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutertEszei^t
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Verrichtung teilweise im Längsschnitt und
F i g. 2 einen Teillängsschnitt durch den unteren Teil der Vorrichtung.
Ein Hohlzylinder 1, der unten mit einer Endwand 2 und obon mit einem Deckel 3 versehen ist, wird über den größten Teil seiner Länge durch einen Wärmetauscher 4 mit Einlaß 5 und Auslaß 6 und im unteren Teil durch eine Wand 7 aus feuerfestem Material gebildet Konzentrisch im Hohlzylinder 1 ist ein dünnwandiger, hohlzylindrischer Einsatz 8 vorgesehen, der unten durch eine ringförmige Stirnwand 9 abgeschlossen ist und dem als Verlängerung ein Brennerrohr 10 zugeordnet ist. Dieses endet mit einem Abstand 11 von der End wand 2. Zwisehen Hohlzylinder 1 und Einsatz S bzw. Brennerrohr 10 verbleibt ein Ringspalt 12, der oben über einen Austrittsraum 13 mit einem Auslaß 14 verbunden ist. In der Höhe des Brennerrohres 10 ist ein der Brennstoffzufuhr und -mischung dienendes Hauptbrennersystem 44 mit einem Brennstoffaufbereitungselement 45 und einem Tangentialkanal 46 vorgesehen, über den das Brennstoff-Luft-Gemisch in den Ringspalt 12 mit hoher Geschwindigkeit eingespeist werden kann. Die Verbrennungs- oder Rauchgase bilden dann eng aureinanderliegende Strahlwindungen, die zu einer intensiven Wärmeabgabe im Bereich des Wärmetauschers 4 führen. Die ganze Vorrichtung ist mit einer Wärmeisolation 15 umgeben.
Wie Fig.2 zeigt, ist im Innern des Einsatzes 8 im Anschluß an die Stirnwand 9 ein Zusatzbrenner 16 angeordnet. Dieser weist eine Brennstoffaufbereitungskammer 17 in der Form eines Verdampfungsrohres 18 auf, das mittels einer e'ektrischen Heizvorrichtung 19 behcUbar ist. Diese kann über Anschlüsse 20 und elektrische Zuleitungen 21 über eine Schaltvorrichtung 22 mit Spannung versorgt werden. Das Verdampfungsrohr 18 und die Heizvorrichtung 19 sind mit einer Wärmeisolierung 23 versehen. Das Ganze ist in einem Gehäuse 24 gehalten, das am vorderen Ende eine konische Führungswand 25 autweist. Das Gehäuse 24 bildet gleichzeitig die innere Begrenzung eines Kanalsystems 26 für die Zufuhr von Verbrennungsluft, das außen durch einen Mantel 27 mit einer tangentialen Lufteintrittsöffnung 28 und ein über ein Gewinde 29 hiermit verbundenes Stirnteil 30 begrenzt ist. Das Stirnteil weist einen Flansch 31 zur Befestigung an der ringförmigen Stirnwand 9 und eine konische Führungswand 32 auf. Die beiden konischen Führungswände 25 und 32 begrenzen
einen Ringspalt als Mündung 33, über den die durch ein Rohr 34 und das Kanalsystem 26 zugeführte Verbrennungsluft in einem rotierenden Konusstrahl austritt.
Am vorderen Ende des Verdampfungsrohres 18 befindet sich eine Glühzone 35, die sich deshalb ergibt, weil ein Ring 36 die Wärmeabfuhr an der Heizvorrichtung 19 stärker behindert als die Wärmeisolation 23, und außerdem deshalb, weil die Heizvorrichtung 19 in diesem Bereich eine größere Leistungsabgabe aufweist. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß die in Heizvorrichtung 19 die Form einer Hülse hat, die mehrfach von beiden Seiten her und einmal durchgehend geschlitzt ist, so daß am vorderen Ende ein größerer Widerstand vorhanden ist. Wenn flüssiger Brennstoff über eine Leitung 37 zugeführt wird, findet im Verdampfungsrohr 18 eine Verdampfung statt. Der entstehende Brennstoffdampf vermischt sich im Brennraum 38 mit der über den Ringspalt 33 zugeführten Verbrennungsluft zu einem brennfähigen Gemisch. Es entsteht eine Flammenfront 39. Aufgrund der Zuführung der Verbrennungsluft ergibt sich ferner ein innerer Ringwirbel 40 und ein äußerer Ringwirbel 41. Letzterer löst sich von der Außenschicht der Flammenfront und verläuft längs des Brennerrohres 10 über ein erhebliches Stück rückwärts und anschließend nach innen, wo die rezirkulierenden Teile wieder mit der Flamme vermischt werden. Dieser äußere Ringwirbel 41 schützt die Flamme vor anfänglicher Abkühlung durch das Brennerrohr 10 und erhitzt dieses sehr rasch auf Glühtemperatur. ,
Beim Anfahren wird der erste zugeführte Brennstofftropfen verdampft und vermischt sich mit der im Verdampfungsrohr 18 befindlichen Luft. Das so gebildete brennfähige Gemisch wird an der Glühzone 35 gezündet Die entstehende Zündflamme wird durch den nach- folgenden Brennstoffdampf in den Brennraum 38 geschoben. Der nachfolgende Dampf bildet mit der über den Ringspalt 33 zugeführten Verbrennungsluft ein Gemisch, das durch die Zündflamme gezündet wird. Dies ergibt einen sehr sanften Anlaufvorgang ohne Pulsationen. Brennstoff und Luft können so gemischt werden, daß sich eine stöchiometrische Verbrennung ohne Rußerzeugung ergibt
Das Brennerrohr 10 wird nicht nur von innen beheizt, sondern durch die in den Ringspalt 12 umgelenkten Verbrennungsgase auch von außen. Desgleichen wird die Wand 7 durch Strahlung vom Brennerrohr 10 und durch die Verbrennungsgase aufgeheizt, so daß auch diese Wand bald Glühtemperatur annehmen kann. Wird nun das der Brennstoffzufuhr und -mischung dienende Hauptbrennersystem 44 eingeschaltet ergibt sich von Anfang an eine zuverlässige Zündung, eine vollständige Verbrennung bei durchsichtiger blauer Ramme und sin pulsationsfreier Betrieb. Je nach Leistungsbedarf können der Zusatzbrenner 16, das Hauptbrennersystem 44 allein oder beide gemeinsam betrieben werden.
Ferner ist in der ringförmigen Stirnwand 9 eine Anzahl von öffnungen 42 vorgesehen, über die ein Rezirkulationspfad 43 aus dem Austrittsraum 13 durch den Einsatz 8 und längs der Stirnwand 9 zur Wurzel der ω Flammenfront 39 entsteht Dies führt zu einer Abkühlung der Flamme und damit zu einer Verminderung der Bildung von Schadstoffen. Der Ringspalt 33 kann durch Verdrehen des Mantels 27 auf dem Stirnteil 30 in seiner Größe verändert werden, um optimale Bedingungen im Brennraum 38 einzustellen. Diese Rezirkulationsströmung bleibt auch erhalten, wenn der Zusatzbrenner 16 abgeschaltet wird. Der Rezirkulationspfad 43 verläuft dann an der Innenseite des Brennerrohres 10 entlang und gelangt von unten in den Ringspalt 12.
Das Brennerrohr 10 kann aus Stahl oder einem dünnwandigen keramischen Material bestehen. Die Brennstoffaufbereitungskammer 12 hat vorzugsweise eine Wandung aus Siliziumkarbid, das mit Silizium gasdicht gemacht ist, oder einem anderen keramischen Material.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

1 2 eingespeisten Brennstoffmenge die Flammenfront Patentansprüche: umgibt 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
1. Verbrennungsvorrichtung für einen hohlzylin- dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff- und drischen Wärmetauscher, bei welcher zwischen ei- 5 Verbrennungsluft-Zufuhr zum Zusatzbrenner (16) nem mit einer Endwand versehenen Hohlzyünder regelbar ist
und einem konzentrischen Einsatz ein von Einbau- 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis ten freier, Verbrennungsgase längs der Innenseite 10, dadurch gekennzeichnet, daß Zusatzbrenner (16) des Wärmetauschers zum Auslaß führender Ring- und Hauptbrennersystem (44) mit unterschiedlichen spalt gebildet ist und bei welcher nahe dem der End- 10 Brennstoffen betreibbar sind,
wand zugewandten Ende des Ringspalts ein Hauptbrennersystem angeordnet ist, das eine tangential
zum Ringspalt verlaufende Strömung des Brennstoff-Luft-Gemisches hervorruft, dadurch gekennzeichnet, daß das der Endwand (2) züge- 15 Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungswardte Ende des Einsatzes (8) mit einer ringförmi- vorrichtung für einen hohlzylindrischen Wärmetauscher gen Stirnwand (9) und einem im Einsatz zentrisch nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
angeordneten Zusatzbrenner (16) für verdampften Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE-PS
flüssigen oder gasförmigen Brennstoff versehen ist, 26 24 617) ist der Ringspalt über den im Hohlzyhnder der eine beheizbare, zentrische Brennstoffaufberei- 20 angeordneten Wärmetauscher hinaus verlängert Ein tungskammerj i7) und ein Kanalsystem (26) für die der Brennstoffzufuhr und -mischung dienendes Haupt-Zufuhr von Verbrennungsluft mit konzentrischer brennersystem speist Brennstoff und Verbrennungsluft Mündung (33) aufweist, und daß in Verlängerung des etwa tangential in diese Ringspaltverlängerung ein. Die Einsatzes in der Höhe des Hauptbrennersystems Fortsetzung des Einsatzes bildet hierbei ein zylindri-(44) ein Brennerrohr (10) angeordnet ist, das mit Ab- 25 scher Kern aus feuerfestem Material. Das Hauptbrenstand von der Endwand des Hohlzylinders (1) endet nersystem kann so ausgelegt sein, daß die Verbren- und aus einem Material besteht ias beim Betrieb nungsgase anfänglich eine Strömungsgeschwindigkeit des Zusatzbrenners (16) Glühtemperatur annimmt von mindestens 125 m/s haben. Trotz der hohen Ge-
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- sch windigkeit die über der Zündgeschwindigkeit liegen zeichnet, daß bei Betrieb mit flüssigem Brennstoff 30 kann, ist eine sichere Zündung gewährleistet weil sich die Brennstoffaufbereitungskammer (17) ein mit ei- eine schraubenförmig» Strömung mit aufeinanderliener elektrisch«. Heizvorrichtung (19) versehenes genden Strahlwindungen ausbildet Schwierigkeiten tre-Verdampfungsrohr(18) ist ten jedoch beim Anlauf auf. Die durch Funkenzündung
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch jeweils gebildete Flamme ist wenig stabil und erlischt gekennzeichnet daß im Bereich df-· Mündung der 35 häufig unter der Abkühlung durch den zylindrischen Brennstoffaufbereitungskammer (17) eine Glühzone Kern. Es ergeben sich starke Pulsationen und ein Aus-(35) vorgesehen ist die mittels einer Heizvorrich- stoß von Ruß und unverbranntem Brennstoff. Erst wenn tung (19) zum Glühen gebracht wird. der Kern und der benachbarte Hohlzylinder eine ausrei-
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, chend hohe Temperatur angenommen haben, zieht sich dadurch gekennzeichnet, daß das Brennerrohr (10) 40 die Rammenspirale ausreichend zusai.Lnen, und die aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit be- Pulsationen hören auf. Eine weitere Beschränkung liegt steht. darin, daß zum Betrieb der Vorrichtung eine bestimmte
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, Mindestleistung erforderlich ist
dadurch gekennzeichnet, daß das Kanalsystem (26) Es ist ferner ein Mantelstrahlheizrohr bekannt (AT-eine Leitvorrichtung zur Erzeugung eines äußeren 45 PS 3 20 117), bei dem sich im Innern des vorn abge-Ringwirbels (41) von Flammengasen mit einem schlossenen Heizrohres ein Strahlheizrohrkopf mit dar-Rückstrompfad längs des Innenumfangs des Bren- an anschließendem Flammrohr befindet Der Strahlnerrohres (10) aufweist rohrheizkopf weist ein zentrisches Brenngaszufüh-
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn- rungsrohr auf, das nahe seiner Austrittsöffnung von eizeichnet, daß die Leitvorrichtung mindestens einsei- 50 ner mit Lufidurchtrittsöffnungen versehenen Stirnplattig eine konische Führungswand (25,32) an der Mün- te umgeben ist. Das Flammrohr reicht bis in die Nähe dung (33) des Kanalsystems (26) aufweist. des geschlossenen Endes des Heizrohrs. Die Verbren-
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, nungsgase können durch einen Ringspalt zwischen dem dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung (33) des Heizrohr und dem Flammrohr abgeführt werden.
Kanalsystems (26) eine axial einstellbare Spaltweite 55 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorhat, richtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, die eine
8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch Anlaufphase mit reiner Flamme und ohne Puisationen gekennzeichnet, daß in der Leitvorrichtung Mittel ermöglicht und bei der die untere Leistungsgrenze er-(Lufteintrittsöffnung 28) vorgesehen sind, mit deren heblich gesenkt werden kann.
Hilfe die Verbrennungsluft rotierend dem Brenn- 60 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
raum (38) innerhalb des Brennerrohres (10) züge- kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst
führt wird. Bei dieser Konstruktion läßt sich der Brennstoff vom
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn- Zusatzbrenner stöchiometrisch rußfrei verbrennen, bilzeichnet, daß das Kanalsystem (26) bezüglich Ein- det eine stabile, pulsationsfreie Flamme und bringt den trittsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft in den 65 Brennerkopf rasch auf hohe Temperaturen. Die« wird Brennraum (38) und ihrer durch Eintrittswinkel und durch die Beheizung unterstützt, durch die beispielswei-Rotation bestimmten Steigung derart ausgelegt ist, se der Brennstoff auf höhere Temperaturen gebracht daß der äußere Ringwirbel (41) unabhängig von der werden oder verdampfen kann oder durch die ein
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