DE4327987C2 - Brennerkopf für einen Ölbrenner - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Brennerkopf für einen Öl­ brenner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Brennerkopf der vorstehenden Art ist bereits aus der DE 36 18 987 A1 bekannt (Fig. 3). Brennstoff gelangt ge­ meinsam mit einer Primärluftströmung in eine Mischkammer innerhalb einer topfartig ausgebildeten Stauscheibe. Die Stauscheibe hat seitliche Öffnungen, durch die Sekundär­ luft tangential in die Mischkammer gelangt. Ein zweiter Senkundärluftstrom wird zwischen der Stauscheibe und einem zylindrischen Brennerrohr zum stromabwärtigen Ende der Stauscheibe geführt und dort beigemischt. Sämtliche Sekun­ därluftströmungen der Stauscheibe sind derart ausgebildet, daß der Sekundärluft ein gleichsinniger Drall verliehen wird. Die durch die tangentialen Schlitze zugeführte Se­ kundärluft soll stromab der Stauscheibe eine zusätzliche Wirbelströmung bewirken, welche das aus der Stauscheibe austretende Brennstoff-Luftgemisch ansaugt und einen sta­ bilisierenden Flammenwirbel bildet. Der stabilisierende Wirbel soll auch in der Lage sein, die Flamme nach dem Austritt aus der Stauscheibe auf einen größeren Durchmes­ ser auseinanderzuziehen. Die intensive Mischung soll es möglich machen, im Flammrohr eine Prallscheibe anzuordnen, welche die Flamme staut und damit die Temperatur im Misch­ bereich weiter erhöht.

Der vorbekannte Brennerkopf hat den Nachteil, daß die Flamme eine intensive Berührung mit der heißen Wand hat und sehr heiß wird. Dies begünstigt Schadstoffemissionen insbesondere von NO_x und CO. Außerdem werden hierdurch Ab­ lagerungen an Stauscheibe und Brennerrohr gefördert.

Die DE 41 05 936 A1 offenbart eine Verbrennungseinrich­ tung, deren Stauscheibe in einer umlaufenden Seitenwand große fensterartige Durchtrittsöffnungen für die gesamte Sekundärluft hat. Ferner hat die Stauscheibe an der Innen­ wand Verwirbelungsstege, die eine zusätzliche Durchmi­ schung bewirken und hinter denen sich ein Sog ausbilden soll. Hierdurch soll sich eine Rezirkulation einstellen, die weitere kühle Luftmengen zur Flamme führt. Die Rezir­ kulation begünstigt jedoch einen Wärmeaustausch mit der heißen Wandung und die Verwirbelungsstege bewirken eine beträchtliche Flammenlänge und einen einhergehend intensi­ veren Wärmeaustausch des Flammenendes mit der Gehäusewand. Die angestrebte Schadstoffminderung läßt deshalb noch zu wünschen übrig.

Aus der DE 39 37 925 A1 ist bereits eine Drallflammen- Mischvorrichtung für Ölbrenner bekannt, mit einer der Zer­ stäuberdüse zugeordneten axial verschieblichen Stauschei­ be, welche eine mittige Öffnung mit radial nach außen ab­ gehenden Schlitzen aufweist und einen zylindrischen Mantel hat, wobei das Brennerrohr stromabwärts einer konischen Verengung eine von dieser radial vorstehende Einschnürung aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungs­ gemäßen Brennerkopf mit verringerter Schadstoffemission und weniger Ablagerungen auf der Stauscheibe zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Bei dem erfindungsgemäßen Brennerkopf gelangt zersprühter Brennstoff gemeinsam mit Primärluft unter Ausbildung eines zündfähigen Gemisches durch die Bodenöffnung in die Stau­ scheibe. Der weiter erforderliche Sauerstoff für die Ver­ brennung wird von der Sekundärluft beigesteuert, die vom Ringspalt zwischen Stauscheibe und Brennerrohr aus durch die Wandöffnungen in die Stauscheibe gelangt. Die Wandöff­ nungen münden zwischen Boden und Einschnürung der Stau­ scheibe, so daß die eingespeiste Sekundärluft von der Ein­ schnürung im stromaufwärtigen Bereich der Mischkammer zu­ rückgehalten wird. Hier kommt es zu einer Luftströmung, die einer Ausbreitung der Flamme zur Seitenwand und auch zum Boden hin entgegenwirkt. Außerdem kommt es durch die Einschnürung zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit im in Strömungsrichtung abwärtigen Teil der Stauscheibe, die ebenfalls einer Wandberührung der Flamme entgegenwirkt. Die von der heißen Stauscheibenoberfläche weggehaltene Flamme wird durch die beigemischte Verbrennungsluft besser gekühlt. Infolgedessen hat der erfindungsgemäße Brenner­ kopf geringere Ablagerungen und eine kühlere Flamme als der gattungsgemäße Brennerkopf. Dies führt zu geringeren Emissionen insbesondere der NO_x und des CO. Besonders vor­ teilhaft ist, daß der erfindungsgemäße Brennerkopf einfach durch Austausch der Stauscheibe des bekannten Brennerkop­ fes gemäß DE 39 37 925 A1 der Patentinhaberin realisierbar ist. Als Brennstoff für den Brennerkopf kommen neben Öl auch Gas oder andere fossile Brennstoffe in Betracht.

Besonders einfach läßt sich die Einschnürung als Ring­ scheibe an der Seitenwand des Stauscheibenknopfes reali­ sieren. Durch einen Abstand der Einschnürung vom stromab­ wärtigen Ende der Stauscheibe wird eine Beruhigungszone für die abströmende Verbrennungsluft verwirklicht.

Die Stauscheibe kann in der Seitenwand zwischen Einschnü­ rung und stromabwärtigen Ende weitere Wandöffnungen auf­ weisen, die eine günstige Verteilung der Sekundärluftzu­ fuhr bewirken und die Flammen von der Innenwand des Topf­ endes weghalten können. Die Sekundärluft hat auch hier ei­ nen Spüleffekt, der die Stauscheibe sauber hält.

Die Zufuhr der Sekundärluft in den Abstandsbereich zwi­ schen Boden und Einschnürung der Stauscheibe kann radial und/oder tangential erfolgen. Eine ausgeprägte Strömung insbesondere in diesem Anfangsbereich der Stauscheibe sorgt für eine stabile Flamme mit dem gewünschten Wandab­ stand. Zur Stabilisierung der Strömung in der "Wirbelkam­ mer" zwischen Boden und Einschnürung kann die Einschnürung einen zum Boden weisenden zylindrischen Ansatz aufweisen. Es versteht sich, daß sich der Ansatz nur über einen Teil des Abstandsbereichs zwischen Boden und Einschnürung er­ streckt. Aus entsprechendem Grunde kann der Boden einen Konuskörper tragen, der die Bodenöffnung umgibt und über einen Teil des Abstandsbereiches von Boden und Einschnü­ rung erstreckt ist.

Zur weiteren Optimierung der Flamme und ihres Abstandes von den Innenwandungen der Stauscheibe kann die Stauschei­ be einen ebenen oder konischen Boden mit sich im wesentli­ chen radial erstreckenden Sekundärluftöffnungen aufweisen. Der konische Boden kann sich zum stromabwärtigen Ende der Stauscheibe hin erweitern oder in entgegengesetzter Rich­ tung.

Zur Flammenstabilisierung verleihen Leitflächen an der Stauscheibe der Sekundärluft beim Durchströmen der Wand­ öffnungen sowie der Öffnungen im Boden einen Drehsinn. Die Leitflächen sind bei schlitzförmigen Wandöffnungen von eingedrückten oder durchgekröpften Seitenrändern gebildet. Letztere führen die Sekundärluft etwa tangential an die Innenseite der Seitenwand.

Vorzugsweise wird der Flamme eine zweite Sekundärluft zugeführt, die durch den Ringspalt zwischen Brennerrohr und Stauscheibe strömt und der Flamme am stromabwärtigen Ende der Stauscheibe zugeführt wird. Zur Führung der Stau­ scheibe unter Ausbildung dieses Ringspaltes kann das Bren­ nerrohr entsprechend der DE 39 37 925 A1 mehrere zu seinem Zentrum ausgerichtete Sicken aufweisen. Diese können azi­ mutal geneigt sein, indem sie einen Winkel zu einer Kreis­ mantellinie auf dem Brennerrohr einschließen, und der zweiten Sekundärluft zwecks Flammenstabilisierung einen Drehsinn verleihen. Zur weiteren Optimierung der Flammen kann das Brennerrohr stromab eine konische Verengung und eine Einschnürung aufweisen. Durch den Konusbereich in Verbindung mit der Einschnürung und der Verschiebbarkeit der Zerstäuberdüse mitsamt Stauscheibe ist eine Einstel­ lung des zweiten Sekundärluftstromes möglich. Hierdurch kann eine Anpassung an verschiedene Durchsätze erfolgen.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Gegenstandes der Er­ findung ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen. In diesen zeigen:

Fig. 1 einen Brennerkopf mit einer Ringscheibe als Ein­ schnürung der Stauscheibe im Längsschnitt (mit winkligem Schnittverlauf); und

Fig. 2 die im Brennerkopf nach Fig. 1 eingesetzte Stau­ scheibe in Aufsicht.

Ein Düsenstock mit Zerstäuberdüse 10 trägt eine topfartige Stauscheibe 12 axial verschiebbar in einem Brennerrohr 14. Die Stauscheibe 12 hat eine zentrische, der Zerstäuberdüse zugeordnete Bodenöffnung 16 in einem ebenen, ungeschlitz­ ten Boden 18, der über eine umlaufende Randsicke 20 in ein­ ne zylindrische umlaufende Seitenwand 22 übergeht. Die Seitenwand 22 weist in ihrer dem Boden 18 zugewandten Hälfte Wandöffnungen 24 sowie - bezogen auf einen Strom­ richtungspfeil ST - stromabwärts der Wandöffnungen 24 etwa in der Mitte der Seitenwand 22 eine Einschnürung in Form einer Ringscheibe 26 auf. Das stromabwärtige Ende 28 der Stauscheibe bildet mit einer konischen Verengung 30 des Brennerrohres 14 einen Ringspalt 32.

Die Mündung 34 der Zerstäuberdüse 10 liegt in der Ebene der Stauscheibe 12 in der Mitte der Bodenöffnung 16. Die Düse 10 trägt außen eine Düsenbuchse 36, an der über iso­ lierende Träger 38 ein Paar Zündelektroden 40 festge­ schraubt sind, die etwa S-förmig stromabwärts zur Düsen­ längsachse gebogen sind, wobei sie mit einer Elektroden­ spitze die Bodenöffnung 16 der Stauscheibe 12 durchgrei­ fen. Die Zerstäuberdüse 10 trägt weiterhin über einen dreibeinigen Halter 42 die Stauscheibe 12. Die Beine des Halters 42 sind am Übergang des Bodens 18 in die Randsicke 20 mit der Stauscheibe 12 verbunden. In die konische Ver­ engung 30 des Brennerrohres 14 sind sechs Sicken 44 einge­ formt, die innen eine Teilzylindermantelfläche umgrenzen. Diese Sicken 44 führen die Stauscheibe 12 bei axialer Ver­ schiebung von Stauscheibe und Zerstäuberdüse 10. Mittels derartiger axialer Verschiebung wird die Breite des Ring­ spaltes 32 eingestellt. Das Brennerrohr 14 weist stromab der konischen Verengung 30 eine ringförmige Einschnürung 46 auf.

In Fig. 2 ist weiterhin eine sechsspitzförmige Umrandung der mittigen Bodenöffnung 16 der Stauscheibe 12 zu erken­ nen.

Zerstäubter Brennstoff tritt aus der Mündung 34 der Zer­ stäuberdüse 10 gemeinsam mit Primärluft durch die Boden­ öffnung 16 der Stauscheibe 12 in einen Mischraum zwischen dem Boden 18 der Stauscheibe und der ringförmigen Ein­ schnürung 46 des Brennerrohrs 14. Dieses Gemisch ist mit­ tels der Elektroden 40 zündbar. Erste Sekundärluft wird durch die Wandöffnungen 24 ebenfalls in den Mischraum ein­ geführt und verwirbelt mit der Primärluft und dem zer­ stäubten Brennstoff, wobei eine unterstöchiometrische Vor­ verbrennung des Brennstoffs erfolgt. Im stromaufwärtigen Bereich des Mischraumes zwischen Stauscheibenboden 18 und Ringscheibe 26 wird die Flamme aufgrund der durch die Wandöffnungen 24 einströmenden Sekundärluft radial zusam­ mengedrückt und in einem Abstand von der Wand gehalten. Im stromabwärtigen Bereich des Mischraumes wird die Flamme von der Ringscheibe 26 und der Einschnürung 46 geführt, und die Zuführung der zweiten Sekundärluft durch den Ring­ spalt 32 steht in diesem Bereich einer Ausbreitung der Flamme zur Wand entgegen. Auf diese Weise wird im gesamten Mischraum ein übermäßiger Wandkontakt der Flamme und damit Rußbildung an der Wand verhindert. Der Brenner brennt mit einer Blauflamme.

Mittels axialer Verschiebung von Düse 10 und Stauscheibe 12 gegen das Brennerrohr 14 kann die Breite des Ringspal­ tes 32 zur Anpassung an verschiedene Durchsätze einge­ stellt werden.

Der gezeigte Brennerkopf wurde insbesondere für mittlere bis große Durchsatzleistungen von etwa 100 kW/h ent­ wickelt und mindert den CO- und NO_x-Ausstoß.

Claims (11)

1. Brennerkopf für einen Ölbrenner, mit einer Zerstäuber­ düse (10), mit einer topfartigen Stauscheibe (12), welche einen Boden (18) mit einer der Zerstäuberdüse zugeordneten mittigen Bodenöffnung (16) zum Durchtritt von zerstäubtem Brennstoff und Primärluft und eine umlaufende Seitenwand (22) mit Wandöffnungen (24) zum etwa tangential gerichteten Durchtritt von Sekundär­ luft aufweist, und mit einem Zerstäuberdüse und Stau­ scheibe aufnehmenden Brennerrohr (14), das mit der Seitenwand der Stauscheibe einen Ringspalt (32) bil­ det, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand (22) auf der vom Boden (18) abgewandten Seite der Wandöff­ nungen (24) eine umlaufende Einschnürung aufweist, die in einem Abstand vom stromabwärtigen Ende (28) der Stauscheibe (12) angeordnet ist.

2. Brennerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnürung eine innen an der Seitenwand (22) angeordnete Ringscheibe (26) ist.

3. Brennerkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Seitenwand (22) der Stauscheibe (12) zwischen Einschnürung und stromabwärtigem Ende (28) der Stauscheibe weitere Wandöffnungen aufweist.

4. Brennerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnürung einen zum Boden weisenden zylindrischen Ansatz aufweist.

5. Brennerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (18) einen sich zum stromabwärtigen Ende (28) der Stauscheibe (12) erwei­ ternden und über einen Teil des Abstandsbereichs zur Einschnürung erstreckten sowie die Bodenöffnung (16) umgebenden Konuskörper trägt.

6. Brennerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Abstand vom Boden (18) an­ geordneten schlitzförmigen Wandöffnungen (24) Leitflä­ chen aufweisen, die von durchgekröpften oder einseitig eingedrückten Seitenrändern der Wandöffnungen (24) ge­ bildet sind.

7. Brennerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stauscheibe (12) einen ebenen oder konischen Boden (18) mit sich im wesentlichen ra­ dial erstreckenden Sekundärluftöffnungen aufweist.

8. Brennerkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Leitflächen der Stauscheibe (12) der durch die Se­ kundärluftöffnungen im Boden (18) strömenden Luft ei­ nen Drehsinn verleihen.

9. Brennerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennerrohr (14) mehrere neben der Brennerrohrmündung um die Brennerrohrlängsachse verteilt angeordnete, zum Brennerrohrzentrum ausge­ richtete Sicken (44) aufweist, die die Stauscheibe (12) seitlich führen.

10. Brennerkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicken (44) azimutal geneigt sind, um der zwi­ schen Brennerrohr (14) und Stauscheibe (12) durchströ­ menden Sekundärluft einen Drehsinn zu verleihen.

11. Brennerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennerrohr (14) stromab eine konische Verengung (30) hat und am stromabwärtigen Ende eine Einschnürung (46) aufweist.