DE4008692A1 - Mischeinrichtung fuer oelgeblaesebrenner - Google Patents
Mischeinrichtung fuer oelgeblaesebrennerInfo
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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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