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DE4008692A1 - Mischeinrichtung fuer oelgeblaesebrenner - Google Patents

Mischeinrichtung fuer oelgeblaesebrenner

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DE4008692A1
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mixing
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    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D11/00Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/40Mixing tubes or chambers; Burner heads
    • F23D11/406Flame stabilising means, e.g. flame holders

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pressure-Spray And Ultrasonic-Wave- Spray Burners (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft eine Mischeinrichtung für Ölge­ bläsebrenner, bestehend aus einem Mischrohr als Durchlaß für die Verbrennungsluft, das sich an seinem vorderen Ende konisch ver­ jüngt, und aus einer im Mischrohr im Bereich der konischen Ver­ jüngung angeordneten Stauscheibe, die mittels einer Halterung so an einem Düsenstock befestigt ist, daß sie senkrecht zur Längs­ achse des Düsenstocks liegt, und mit diesem axial im Mischrohr verschiebbar ist, wobei die Stauscheibe aus einer kreisförmigen Scheibe mit einer zentralen Öffnung zur Einführung des Brenn­ stoffs und eines ersten Teils der Verbrennungsluft in den Ver­ brennungsraum, mit radialen Schrägschlitzen zur tangentialen Einführung eines zweiten Teils der Verbrennungsluft in den Ver­ brennungsraum, und aus einem stirnseitig zum Verbrennungsraum weisenden Ring an ihrem Außenumfang besteht, zwischen dem und der Innenwand des Mischrohres ein dritter Teil der Verbrennungsluft in den Verbrennungsraum einleitbar ist.
Einen solchen Aufbau weisen heute praktisch alle in Gebläsebrennern verwendeten Mischeinrichtungen auf. Der Düsen­ stock mit der Stauscheibe befindet sich dabei innerhalb eines Mischrohres, in das die Verbrennungsluft so eingeführt wird, daß sie von hinten auf die Stauscheibe trifft und dabei teils durch die zentrale Öffnung, teils durch die radialen Schrägschlitze und teils durch den Zwischenraum zwischen dem Ring am Außenumfang und dem Mischrohr in dem Verbrennungsraum gelangt. Im Bereich des Ringes der Stauscheibe verjüngt sich das Mischrohr nach innen, so daß durch axiale Verschiebung des Düsenstocks mit der Stauscheibe innerhalb des Mischrohres der Abstand zwischen dem Stauscheiben­ ring und dem konisch verjüngten vorderen Ende des Mischrohres und damit die zugeführte Luftmenge variiert werden kann.
Die Anordnung der Stauscheibe im Verbrennungsluftraum hat den Zweck, im Bereich der Flamme eine gute Durchmischung von Brennstoff und Luft und damit eine möglichst vollkommene Verbren­ nung des Brennstoffs zu erreichen. Diese Durchmischung wird einerseits durch den tangential durch die radialen Schrägschlitze eingeführten Verbrennungsluftanteil und andererseits durch einen sich hinter der Stauscheibe ausbildenden Unterdruck bewirkt, durch den die Verbrennungsgase in einem turbulenten Strom zur Flammenwurzel zurückgeführt werden.
Die verschiebbare Anordnung des Düsenstocks mit der Stauscheibe ist deshalb erforderlich, weil die Brenner in der Regel für einen Leistungsbereich ausgelegt werden und erst bei der Installation die Einstellung auf die bereitzustellende Wärme­ leistung und jeweilige Kesselausbildung erfolgt, d.h. es wird die für die geforderte Wärmeleistung benötigte Brennstoffdüse einge­ baut und dementsprechend durch Verschieben des Düsenstocks die entsprechende Luftmenge eingestellt, die den Zwischenraum zwi­ schen dem Stauscheibenring und dem Mischrohr durchströmen muß.
Diese Mischeinrichtungen haben sich in der Praxis be­ währt, jedoch hat sich gezeigt, daß mit der herkömmlichen Bauart der Stauscheiben und des Mischrohres die neueren strengen Forde­ rungen hinsichtlich der Schadstoffbegrenzung der Abgase nur mit geringem Sicherheitsabstand erfüllbar sind.
Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, eine Mischeinrichtung der eingangs beschriebenen Art so auszuge­ stalten, daß die Schadstoffe im Abgas, insbesondere der NOx-Gehalt wesentlich vermindert werden und der feuerungstechnische Wir­ kungsgrad verbessert wird.
Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Mischrohr an seinem konisch verjüngten vorderen Ende so weit radial einwärts gebogen ist, daß der Auslaßdurch­ messer kleiner als der Durchmesser der Stauscheibe ist, und daß die Höhe des Ringes der Stauscheibe mindestens so groß wie der Innenlochdurchmesser der Stauscheibe bemessen ist.
Die größere Höhe des Stauscheibenringes führt im Zusam­ menwirken mit dem konisch verjüngten vorderen Ende des Mischroh­ res zu einem erhöhten Unterdruck hinter der Stauscheibe, wodurch im stärkeren Maße als bei den bekannten Lösungen heiße Verbren­ nungsgase in turbulenter Strömung zur Flammenwurzel zurückgeführt werden. Damit wird die Flammenstabilität verbessert und eine Teilvergasung der aus der Brennstoffdüse austretenden Öltröpfchen erreicht.
Das radial einwärts gebogene Mischrohrende bewirkt, daß die Luftströmung zwischen Mischrohr und Stauscheibe eingeschnürt wird und mit erhöhter Energie radial in den Verbrennungsraum ein­ tritt und damit im Winkel von etwa 90° auf die Flamme bzw. den Flammenkegel trifft. Hierdurch wird einerseits die Durchmischung von Öl und Luft verbessert und andererseits diesem Bereich der Flamme so viel Luft zugeführt, daß der im Bereich der Flammenwur­ zel herrschende Luftmangel kompensiert wird und die Verbrennung insgesamt überstöchiometrisch verläuft. Auf diese Weise wird schon relativ früh ein vollständiger Ausbrand aller brennbaren Bestandteile erreicht, d.h., die Flamme wird kürzer, wodurch sich die Verweilzeit des Luftstickstoffes in der Flamme verringert.
Neben der oben beschriebenen, als innere bzw. primäre Rezirkulation zu bezeichnenden Rückführung heißer Verbrennungs­ gase zur Flammenwurzel bildet sich aufgrund des Unterdruckes, der sich infolge der Strömungsverhältnisse am einwärts gebogenen Mischrohrende einstellt, eine sekundäre Rezirkulation aus, die kühlere Verbrennungsgase zusammen mit unverbranntem Sauerstoff in den äußeren Bereich der Flamme zurückführt. Dadurch wird zum einen die Flamme gekühlt und damit die NOx-Bildung verringert und zum anderen der Sauerstoff-Partialdruck gesenkt, womit weniger Sauerstoff für die NOx-Bildung zur Verfügung steht.
Neben diesen Effekten führen die rezirkulierten Ver­ brennungsgase diesem Bereich der Flamme genügend Wärme zu, um die Vergasung von dort vorhandenen Öltröpfchen zu verbessern.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vor dem Mischrohr und koaxial mit diesem ein im Durchmesser kleineres Vorsatzrohr derart angeordnet, daß es das konisch verjüngte, vor­ dere Ende des Mischrohres unter Bildung eines Ringspaltes über­ lappt. Es ist zweckmäßig, zwischen der Breite des Ringspaltes und dem Innendurchmesser des Vorsatzrohres ein Verhältnis von bis 1 : 13 einzuhalten.
Über den zwischen Vorsatzrohr und Mischrohrende gebil­ deten Ringspalt werden aufgrund des am Mischrohraustritt herr­ schenden Unterdruckes kühlere, ebenfalls noch Sauerstoff aufwei­ sende Verbrennungsgase in den Randbereich der Flamme zurückge­ führt, d.h., es bildet sich neben der bereits beschriebenen pri­ mären und sekundären Rezirkulation eine zusätzliche tertiäre Rezirkulation aus. Diese tertiäre Rezirkulation verstärkt die im Zusammenhang mit der sekundären Rezirkulation beschriebenen Effekte, d.h., der Sauerstoff-Partialdruck wird weiter gesenkt, die Flamme aufgrund der kühleren Verbrennungsgase weiter abge­ kühlt und dem Randbereich der Flamme für die Restvergasung der Öltröpfchen zusätzlich Wärme zugeführt.
Das angegebene Verhältnis zwischen Breite des Ringspal­ tes und Innendurchmesser des Vorsatzrohres optimiert die eben genannten Wirkungen.
Im Ergebnis bildet sich eine absolute Blauflamme aus. Die Rauchgase sind rußfrei. Gegenüber der Ausführung ohne Vor­ satzrohr wird der NOx-Gehalt im Rauchgas weiter gesenkt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeich­ nungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung des vorderen Bereichs einer Mischeinrichtung,
Fig. 2 eine Stirnansicht der Stauscheibenanordnung von Fig. 1 und
Fig. 3 eine Mischeinrichtung nach Fig. 1 mit Vor­ satzrohr.
Fig. 1 zeigt ein Mischrohr 1, dessen vorderes Ende 2 sich konisch verjüngt, und in dem zentral eine Brennerlanze 3 mit einer Brennstoffdüse 4 angeordnet ist. An der Brennerlanze 3 ist mit Streben 5 eine Stauscheibe 6 befestigt, die mit der Brenner­ lanze 3 im Mischrohr 1 axial verschiebbar ist, und die an ihrem Umfang in bekannter Weise mit einem Ring 7 versehen ist. Die Stauscheibe 6 besitzt in üblicher Weise eine zentrale Öffnung 8 als Durchlaß für den Brennstoff und einen ersten Teil der Ver­ brennungsluft, und ferner sind in üblicher Weise zwischen der zentralen Öffnung und dem Außenrand der Scheibe radiale Schlitze 9 vorgesehen, die durch flügelartige Vorsprünge 10 gebildet wer­ den, die durch einen Drückvorgang in der Scheibe 6 angebracht werden. Dadurch wird in bekannter Weise ein zweiter Teil des Ver­ brennungsluftstroms in tangentialer Richtung in den Verbrennungs­ raum eingeleitet. Ein dritter Anteil der Verbrennungsluft strömt durch den Zwischenraum zwischen dem Ring 7 der Stauscheibe 6 und dem konisch verjüngten, vorderen Ende 2 des Mischrohres 1. Durch axiale Verschiebung der Brennerlanze 3 mit der Stauscheibe 6 kann der dritte Verbrennungsluftanteil dosiert und an die jeweils geforderte Leistung des Brenners am Installationsort angepaßt werden.
Während die Höhe H des Ringes 7 bei bekannten Stau­ scheiben kleiner als der Durchmesser der zentralen Öffnung 8 ist, sieht die Erfindung vor, die Höhe des Ringes 7 mindestens so groß wie den Durchmesser der Öffnung 8 zu bemessen. Hierdurch wird der Unterdruck hinter der Stauscheibe 6 und damit die innere Rezir­ kulation erhöht, so daß die Flamme stabilisiert wird, d.h. daß die Flammenwurzel stärker an die Stauscheibe gebunden wird, und daß zugleich wegen der größeren Länge des Bereiches, in dem die Verbrennung unterstöchiometrisch erfolgt, eine Verminderung der Stickoxidbildung stattfindet. Gleichzeitig wird durch die Rezir­ kulation heißer Verbrennungsgase die Vergasung des Öls in diesem Bereich verbessert. In der Praxis hat sich gezeigt, daß ein Ver­ hältnis der Höhe H des Ringes 7 zum Innenlochdurchmesser 8 der Stauscheibe von etwa 1,1 : 1 sehr geringe NOx-Werte zur Folge hat.
Das konisch verjüngte, vordere Ende 2 weist eine Lippe 11 auf, die radial so weit nach innen eingebogen ist, daß der Auslaßdurchmesser des Mischrohres 1 kleiner als der Durchmesser. der Stauscheibe 6 ist. Vorzugsweise ist der Auslaßdurchmesser des Mischrohres 1 mindestens 10 mm kleiner als der Durchmesser der Stauscheibe 6. Hierdurch wird der dritte Verbrennungsluftanteil fast radial in den Verbrennungsraum eingeblasen, so daß dieser Teil der Verbrennungsluft praktisch im Winkel von etwa 90° auf den Flammenkegel trifft.
Dadurch wird die Durchmischung von Luft und Brennstoff intensiviert. Des weiteren kompensiert die Luftzuführung an die­ ser Stelle der Flamme den Luftmangel an der Flammenwurzel, so daß die Verbrennung insgesamt überstöchiometrisch verläuft und die Flamme und damit die Verweilzeit des Luftstickstoffes in der Flamme verkürzt wird.
Der sich aufgrund der Strömungsverhältnisse am Austritt des Mischrohres 1 einstellende Unterdruck führt außerdem zu einer Rezirkulation von Verbrennungsgasen im Außenbereich der Flamme, die durch die vergleichsweise kälteren Gase gekühlt wird. Da diese unverbrannten Sauerstoff enthalten, wird durch die Rezirku­ lation gleichzeitig der Sauerstoff-Partialdruck gesenkt. Zudem gelangt mit den rezirkulierten Verbrennungsgasen Wärme in die Bereiche der Flamme, in denen die Temperatur für eine Teilverga­ sung der Öltröpfchen nicht ausreichend ist, so daß auch die für eine effektive Verbrennung erforderliche Vergasung des Öls geför­ dert wird.
Versuche haben gezeigt, daß sich mit dieser Ausfüh­ rungsform der Erfindung im Vergleich zu bisher üblichen Mischein­ richtungen eine Reduzierung der NOx-Emissionswerte um mehr als 20% erreichen läßt. Das Öl verbrennt in einer Gelbflamme mit Blauanteilen.
Eine weitere Verringerung der Schadstoffemission und eine weitere Verbesserung der Verbrennung läßt sich mit der Aus­ führungsform nach Fig. 3 erzielen. Diese unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, daß vor dem Mischrohr 1 und koaxial mit diesem ein Vorsatzrohr 13 ange­ ordnet ist. Es ist mittels Halterungen 14 am Mischrohr 1 derartig befestigt, daß es das konisch verjüngte, vordere Ende 2 über­ lappt. Dadurch wird zwischen dem Mischrohr 1 und dem Vorsatzrohr 13 ein Ringspalt 12 gebildet.
Der am Austrittsquerschnitt des Mischrohres 1 anstehen­ de Unterdruck bewirkt aufgrund der Anordnung des Vorsatzrohres 13 die Ausbildung einer tertiären Rezirkulation. Diese führt über den Ringspalt 12 aus einem Bereich der Brennkammer, der durch das Vorsatzrohr 13 von der Flamme gewissermaßen abgeschottet ist, kühlere Verbrennungsgase in den Randbereich der Flamme die dadurch weiter abgekühlt wird. Diese Kühlung und die weitere Sen­ kung des Sauerstoff-Partialdruckes durch den mit den rezirkulier­ ten Verbrennungsgasen zurückgeführten Sauerstoff führen zu einer weiteren Senkung der NOx-Emission im nahstöchiometrischen Be­ reich.
Obwohl die durch den Ringspalt 12 zurückgesaugten Ver­ brennungsgase insgesamt auf die Flamme kühlend wirken, ist ihr Wärmeinhalt ausreichend, um die Restvergasung noch vorhandener Öltröpfchen zu bewirken.
Es wurde gefunden, daß sich sehr gute Ergebnisse erzie­ len lassen, wenn das Verhältnis von Ringspaltbreite zum Innen­ durchmesser des Vorsatzrohres etwa 1 : 11 bis 1 : 13 beträgt.
Das Öl verbrennt nahstöchiometrisch in einer absoluten Blauflamme. Die Rauchgase weisen geringste Mengen an Kohlenmon­ oxid auf und sind praktisch rußfrei. Der NOx-Gehalt im Rauchgas kann gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 um weitere 10% gesenkt werden.

Claims (5)

1. Mischeinrichtung für Ölgebläsebrenner, bestehend aus einem Mischrohr als Durchlaß für die Verbrennungsluft, das sich an seinem vorderen Ende konisch verjüngt, und aus einer im Misch­ rohr im Bereich der konischen Verjüngung angeordneten Stauschei­ be, die mittels einer Halterung so an einem Düsenstock befestigt ist, daß sie senkrecht zur Längsachse des Düsenstocks liegt, und mit diesem axial im Mischrohr verschiebbar ist, wobei die Stau­ scheibe aus einer kreisförmigen Scheibe mit einer zentralen Öff­ nung zur Einführung des Brennstoffs und eines ersten Teils der Verbrennungsluft in den Verbrennungsraum, mit radialen Schräg­ schlitzen zur tangentialen Einführung eines zweiten Teils der Verbrennungsluft in den Verbrennungsraum, und aus einem stirnsei­ tig zum Verbrennungsraum weisenden Ring an ihrem Außenumfang be­ steht, zwischen dem und der Innenwand des Mischrohres ein dritter Teil der Verbrennungsluft in den Verbrennungsraum einleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischrohr (1) an seinem konisch verjüngten, vorderen Ende (2) so weit radial einwärts gebogen ist, daß der Auslaßdurchmesser kleiner als der Durchmesser der Stauscheibe (6) ist und daß die Höhe des Ringes (7) der Stau­ scheibe (6) mindestens so groß wie der Innenlochdurchmesser der Stauscheibe (6) bemessen ist.
2. Mischeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Verhältnis der Höhe des Ringes (7) der Stauscheibe (6) zum Innenlochdurchmesser der Stauscheibe 1,1 : 1 beträgt.
3. Mischeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Auslaßdurchmesser des Mischrohres (1) min­ destens 10 mm kleiner als der Durchmesser der Stauscheibe (6) ist.
4. Mischeinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Mischrohr (1) und koaxial mit diesem ein im Durchmesser kleineres Vorsatzrohr (13) derart angeordnet ist, daß es das konisch verjüngte, vordere Ende (2) des Mischrohres (1) unter Bildung eines Ringspaltes (12) überlappt.
5. Mischeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen der Breite des Ringspaltes (12) und dem Innen­ durchmesser des Vorsatzrohres (13) ein Verhältnis von 1 : 11 bis 1 : 13 besteht.
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