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Die Erfindung betrifft einen Gasbrenner für eine große Austrittsgeschwindigkeit und eine hohe Temperatur am Brenneraustritt, bestehend aus einer ein Feuerungsrohr aus Metall aufweisenden Brennkammer und einem das Feuerungsrohr im wesentlichen über seine gesamte Länge im Abstand umschließenden Außenrohr, wobei Brenngas mit niedrigem Druck im hinteren Bereich des Feuerungsrohres zuführbar ist und Verbrennungsluft ebenfalls mit niedrigem Druck über den vom Feuerungsrohr und dem Außenrohr begrenzten ringförmigen Luftkanal in getrennten zur Brennerachse rechtwinkligen Ebenen in zwei gegenläufigen tangentialen Teilströmungen in das Feuerungsrohr einleitbar ist.
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Bei einem in der FR-OS 22 49 585 beschriebenen Gasbrenner dieser Gattung weist die Brennkammer zusätzlich zu dem Feuerungsrohr aus Metall ein Feuerungsrohr aus Beton auf, das sich an das vordere Ende des Metallrohres koaxial anschließt. Die gesamte Verbrennungsluft wird in zwei gegenläufigen tangentialen Teilströmungen eingeleitet. Da die Luftmengen dieser beiden Teilströmungen gleich groß sind, hebt sich deren Drall auf, so daß das Gasgemisch praktisch drallfrei aus der am vorderen Ende des Betonrohres angeordneten Austrittsöffnung austritt. Bei einer praktischen Ausführungsform dieses herkömmlichen Gasbrenners ist die Verbrennung des Brenngases am Brenneraustritt noch nicht abgeschlossen, sondern sie setzt sich außerhalb des Gasbrenners noch fort. Der mit diesem herkömmlichen Gasbrenner erzielbaren Heizleistung sind natürliche Grenzen gesetzt. Einerseits kommt es bei übermäßig hohen Temperaturen zu einer Beschädigung des Betonrohres, und andererseits erfolgt innerhalb der Brennkammer nur eine unvollständige Vermischung des Brenngases mit der Verbrennungsluft.
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Aus der GB-PS 11 20 326 ist zwar bereits ein Gasbrenner bekannt, der ganz aus Metall besteht und somit hohen Temperaturen am Brenneraustritt standhalten kann. Aber auch bei diesem herkömmlichen Gasbrenner ist die Vermischung des Brenngases mit der Verbrennungsluft innerhalb der Brennkammer nur unvollständig, weil die Verbrennungsluft in zwei Teilströmungen am vorderen und am hinteren Ende der Brennkammer radial zugeführt wird. Zur Kühlung des Feuerungsrohres kann die Verbrennungsluft nahe dem vorderen Ende des Feuerungsrohres auch tangential zugeführt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Gasbrenner hinsichtlich der Vermischung des Brenngases mit der Verbrennungsluft innerhalb der Brennkammer und der Hitzefestigkeit zu verbessern, so daß sich eine größere Heizleistung erzielen läßt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß sich das aus Metall bestehende Feuerungsrohr über die gesamte Länge der Brennkammer erstreckt, daß die Verbrennungsluft zusätzlich in einer dritten Teilströmung in einer weiteren getrennten Ebene in das Feuerungsrohr eingeleitet wird, wobei diese dritte Teilströmung in der Nähe der hinteren Stirnwand des Feuerungsrohres radial zugeführt wird, und daß die in den beiden der hinteren Stirnwand näherliegenden Ebenen zugeführten Luftmengen etwa gleich groß sind, während die im vorderen Bereich des Feuerungsrohres zugeführte Luftmenge wesentlich größer ist.
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Da sich das aus Metall bestehende Feuerungsrohr über die gesamte Länge der Brennkammer erstreckt, ist der erfindungsgemäße Gasbrenner sehr widerstandsfähig gegen hohe Temperaturen. Durch die in einer dritten Teilströmung in der Nähe der hinteren Stirnwand des Feuerungsrohres radial zugeführte Verbrennungsluft wird eine Vormischung der Verbrennungsluft mit dem Gas erzielt, welche die primäre Verbrennung steuert. Dadurch, daß die im vorderen Bereich des Feuerungsrohres tangential zugeführte Luftmenge wesentlich größer ist als die im hinteren Bereich des Feuerungsrohres gegenläufig tangential geführte Luftmenge, wird ein überschüssiger Drall erzielt, so daß das teilweise verbrannte Gemisch aus Verbrennungsluft und Brenngas über die gesamte Länge der Brennkammer in Rotation versetzt wird. Durch diese Rotation des Gasgemisches wird die Vermischung und damit die Verbrennung begünstigt. Mit dem erfindungsgemäßen Gasbrenner werden folgende Vorteile erzielt:
- 1. Verbesserung der Betriebsleistung und der Stabilität durch die Steuerung der Verbrennung in der Nähe der hinteren Stirnwand des Feuerungsrohres und vollkommene Ausnutzung des Volumens der Brennkammer durch intensive Verbrennung.
- 2. Erhöhung der Temperatur und der Strömungsgeschwindigkeit der Rauchgase am Brenneraustritt sowie Beschränkung der sichtbaren Flamme auf einen sehr kleinen Kegel, dessen Länge etwa 300 mm beträgt.
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Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigt
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Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Gasbrenner nach der Linie I-I in Fig. 3,
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Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines in eine Ofenwand eingebauten Gasbrenners und
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Fig. 3 eine Vorderansicht des in eine Ofenwand eingebauten Gasbrenners.
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Wie aus Fig. 1 hervorgeht, umfaßt der Gasbrenner 10 ein Feuerungsrohr 11 mit einer im wesentlichen zylindrischen Wandung 12 aus Metall. Das Feuerungsrohr 11 ist im wesentlichen über seine gesamte Länge mit einem gewissen Abstand von der Wandung 13 eines Außenrohres umgeben, so daß ein ringförmiger Raum, der einen Luftkanal 14 bildet, das Feuerungsrohr 11 koaxial umgibt. Der Brenner 10 ist an seinem vorderen Ende mit einer Stirnwand 15 versehen, die den Luftkanal 14 verschließt und gegenüber dem Feuerungsrohr nach vorne versetzt angeordnet ist, damit eine Austrittsöffnung 17 gebildet wird, deren Durchmesser geringer ist als der Durchmesser des Feuerungsrohres 11. Am hinteren Ende des Brenners 10 ist ein ringförmiger Gaskanal 18 zugeordnet, der mit einem Anschlußstutzen für die Zuleitung des Brenngases versehen ist. Der Gaskanal 18 steht über radiale Bohrungen 19 des Feuerungsrohres 11 mit der von diesem begrenzten Brennkammer in Verbindung. Das hintere Ende des Brenners ist mit einer Wand 20 verschlossen, die mit einem Sichtfenster 21 versehen ist.
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Die Luft strömt über eine Luftzufuhrleitung 23, durch eine Öffnung 24 des Außenrohres 13 radial in den Luftkanal 14 ein. Vom Luftkanal 14 aus wird die Verbrennungsluft durch die Wandung 12 des Feuerungsrohres 11 hindurch mit Hilfe von drei Öffnungsreihen 26, 27, 28, die sich in drei verschiedenen Querebenen des Feuerungsrohres 11 befinden, in die Brennkammer eingeleitet. Die Öffnungen 26 weisen einen geringen Durchmesser auf und bilden eine radial gerichtete Luftströmung nahe der hinteren Stirnwand 22 des Feuerungsrohres 11. Die Öffnungen 27, die sich ebenfalls nahe der hinteren Stirnwand 22 des Feuerungsrohres 11, jedoch etwas stromabwärts von der Querstrebe der Öffnungen 26 befinden, haben jeweils einen größeren Querschnitt als die Öffnungen 26 und bewirken eine tangential umlaufende Luftströmung in das Innere des Feuerungsrohres 11. Auf der stromabwärtsliegenden Seite der Quermittelebene 30 des Brenners 10 sind in einer Querebene Öffnungen 28 angeordnet, deren Querschnitt jenem der Öffnungen 27 im wesentlichen entspricht, deren Anzahl jedoch größer ist. Die Öffnungen 28 bilden eine tangential umlaufende Luftströmung in das Innere des Feuerungsrohres 11, die zu der von den Öffnungen 27 gebildeten Luftströmung in entgegengesetzter Richtung umläuft. In dem Feuerungsrohr 11 ist eine vierte Luftzuführung vorgesehen, die sich am vorderen Ende des Brenners befindet und durch einen Ringspalt 31 zwischen einem mit der vorderen Stirnwand 15 des Brenners fest verbundenen Ring 32 und dem vorderen Endteil der Wandung 12 des Feuerungsrohres 11 gebildet wird. Der Ring 32 kann mit der vorderen Stirnwand 15 einstückig ausgebildet und von einem abgedrehten Flansch derselben gebildet sein. Der Ringspalt 31 wird mittels Zentrierstücken 33 aufrechterhalten.
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Das Brenngas dringt durch die Löcher 19 des Feuerungsrohres 11 in die Brennkammer ein und trifft zuerst auf die aus den Löchern 26 eindringenden Luftströme, so daß schon im hinteren Bereich der Brennkammer eine Vermischung der Luft mit dem Brenngas stattfindet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Gasbrenners ist eine ausreichende Anzahl von kleinen Löchern 26 in dem Feuerungsrohr 11 vorgesehen, damit in diesem Bereich des Brenners eine Luftmenge zugeführt wird, die der durch die Öffnungen 27 tangential zugeführten Luftmenge entspricht.
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Bei dem in Fig. 1 gezeigten Gasbrenner ist die durch die Öffnungen 27 im hinteren Bereich des Brenners tangential zugeführte Luftmenge halb so groß wie die durch die Öffnungen 28 im vorderen Bereich des Brenners zugeführte Luftmenge, weil drei Öffnungen 27 und sechs Öffnungen 28 vorgesehen sind. Selbstverständlich können die Anzahl und der Querschnitt der Luftzufuhröffnungen den jeweiligen Erfordernissen entsprechend verändert werden.
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Die Austrittsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase wird durch eine nach innen gerichtete Verlängerung der Stirnwand 15 des Brenners noch gesteigert. Diese Verengung kann den jeweiligen Erfordernissen entsprechend verändert werden. Der vorstehend beschriebene Gasbrenner verfügt über einen großen Bereich der Austrittsgeschwindigkeit der Rauchgase. In Abhängigkeit von der Größe der in der vorderen Stirnwand 15 gebildeten Öffnung kann diese Geschwindigkeit in einem Verhältnis von 1 : 3 schwanken. Wenn diese Öffnung bei Nennleistung die größtmöglichen Abmessungen besitzt, dann treten die Rauchgase mit einer Geschwindigkeit von etwa 70 m/s aus, wogegen der Brenner bei einer kleineren Öffnung als Strahlbrenner arbeitet, wobei die Rauchgase eine Geschwindigkeit von 250 m/s erreichen oder sogar überschreiten können.
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Durch die in Fig. 1 gezeigte radiale Zuführung des Brenngases in das Feuerungsrohr 11 wird eine zu schnelle Strömung des Brenngases innerhalb der Brennkammer vermieden. Das Brenngas könnte aber auch durch in der hinteren Stirnwand 22 des Feuerungsrohres 11 vorgesehene Öffnungen axial zugeführt werden. Diese Öffnungen werden dann so ausgebildet und angeordnet, daß das Brenngas mit der geringstmöglichen Axialgeschwindigkeit in die Brennkammer eingeleitet wird. In beiden Fällen wird im hinteren Bereich der von dem Feuerungsrohr 11 begrenzten Brennkammer ein Gaspolster mit geringer Strömungsgeschwindigkeit in axialer Richtung geschaffen.
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Die Öffnung 21 in der Wand 20 des Brenners ermöglicht die Anbringung von verschiedenen zusätzlichen Vorrichtungen, wie z. B. einer Zündeinrichtung, einer Vorrichtung zur Kontrolle der Flamme usw. Der in den Fig. 2 und 3 gezeigte Gasbrenner ist mit verschiedenen Hilfsvorrichtungen, insbesondere mit einem Zündkerzenträger 40 in der von den Öffnungen 27 bestimmten Querebene und mit einer schwenkbaren Sichtklappe 41 versehen, die mit Hilfe von angeschweißten Bolzen 42 und einem Befestigungsring 43 auf der Wand 20 des Gasbrenners festgelegt ist.
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Wie in Fig. 2 gezeigt ist, kann der Gasbrenner 10 in die Wand 35 eines Ofens eingebaut werden. Der Gasbrenner ist in einer Ausnehmung 36 der Wand 35 gelagert und mit Hilfe eines Flansches 39 befestigt. Die Rauchgase strömen durch einen Kanal 37 in den Ofen hinein. Zwischen der vorderen Stirnwand 15 des Gasbrenners und der Wand 35 ist ein Ring 38 aus einem feuerfesten Fasermaterial angeordnet, der den Gasbrenner vor der Wärmestrahlung des Ofens schützt und eventuelle Ausdehnungen bzw. Verformungen und ein möglicherweise vorhandenes Spiel aufnehmen kann.
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In der nachfolgenden Tabelle sind die Anzahl und die Abmessungen der Öffnungen zur Zuleitung der radialen und tangentialen Teilströmungen der Verbrennungsluft in die Brennkammer für zwei Gasbrenner mit einer Nennleistung von 232 bzw. 464 kW beispielsweise angegeben. Tabelle 1 &udf53;ta5,6:14,6:24,6:14,6:19,6:24,6:33,6:24,6:29,6:33,6&udf54;&udf53;tz5,5&udf54; &udf53;tw,4&udf54;&udf53;sg8&udf54;\Nennleistung\ 232 kW\ ðffnungs-&udf50;anzahl\ Durchmesser&udf50;(mm)\ 464 kW\ ðffnungs-&udf50;anzahl\ Durchmesser&udf50;(mm)&udf53;tz5,10&udf54; &udf53;tw,4&udf54;&udf53;sg9&udf54;&udf53;ta5,6:14,6:19,6:24,6:29,6:33,6&udf54;\Hintere ZufÝhrungen&udf53;tz&udf54; \¸radial\ 12\ 12\ 24\ 12&udf53;tz&udf54; \¸tangential\ Æ2\ 20^27\ Æ3\ 26^34&udf53;tz&udf54; \Vordere ZufÝhrungen&udf53;tz&udf54; \¸tangential\ Æ4\ 20^27\ Æ6\ 26^34&udf53;tz&udf54; &udf53;ta5,6:14,6:24,6:33,6&udf54;\¸ringfÐrmig\ Spielraum von 1,5 mm&udf50;auf einem Durchmesser&udf50;von 105 mm\ Spielraum von 1,5 mm&udf50;auf einem Durchmesser&udf50;von 159 mm&udf53;tz&udf54; &udf53;te&udf54;&udf53;sb37,6&udf54;&udf53;el1,6&udf54;&udf53;vu10&udf54;
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Bei der Ausführungsform des Brenners mit einer Nennleistung von 464 kW wird als Brenngas das natürliche Erdgas von Groningen (das die folgende Zusammensetzung aufweist: 81,1% CH&sub4;, 14,2% N&sub2;, 3% C&sub2;H&sub6;, 0,6% C&sub3;H&sub8;, 0,2% C&sub3;H&sub1;&sub0; und 0,9% CO&sub2;) in einer Menge von 15 bis 75 m³/h (Volumen unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen) in eine Brennkammer mit einem Volumen von etwa 9,7 Liter zugeführt.
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Bei einer stöchiometrischen Verbrennung erzielt man am Brenneraustritt eine Temperatur der Rauchgase von etwa 1750°C, und wenn der Brenneraustritt einen Durchmesser von 85 mm aufweist, dann beträgt die Ausströmgeschwindigkeit der Rauchgase bei Nennleistung etwa 175 m/s.
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Unter diesen Bedingungen herrscht in der Brennkammer ein statischer Druck von 5050 Pa, wobei der Brenngasversorgungsdruck 5750 Pa und der Versorgungsdruck der kalten Verbrennungsluft 3500 Pa beträgt. Der Druck in der Brennkammer entspricht der Beschleunigung der verbrannten Gase, und die Druckverluste, die durch die Herstellung der Mischung und die Stabilisierung der Verbrennung entstehen, betragen für das Gas etwa 700 Pa und für die Verbrennungsluft etwa 250 Pa. Die durch den Ringspalt 31 im vorderen Bereich der Brennkammer einströmende Luftmenge bewirkt eine Kühlung des Feuerungsrohres 11, so daß bei einer Verbrennungstemperatur von 1750°C im Inneren des Feuerungsrohres an keiner Stelle desselben eine Temperatur von 650°C überschritten wird.
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Die mit derartigen Gasbrennern, die mit dem natürlichen Erdgas aus Groningen betrieben werden, erzielbaren Wärmeleistungen können innerhalb eines Bereiches von 140 bis 640 kW schwanken, wenn die Luftzahl n zwischen einem Mindestwert von 0,5 und einem von 20 bis 2 schwankenden Höchstwert schwankt, ohne daß dabei die Flamme gelöscht wird, wobei der Brenner einwandfrei gezündet werden kann.
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Abweichend von dem gezeigten Ausführungsbeispiel könnte die Luftzuführleitung 23 auch tangential in den Luftkanal 14 einmünden.